Ingenieros del MIT han diseñado un parche adhesivo que produce imágenes de ultrasonido del cuerpo. El dispositivo del tamaño de un tampón se adhiere a la piel y puede proporcionar imágenes de ultrasonido continuas de los órganos internos durante 48 horas. Crédito: Felice Frankel
Los nuevos adhesivos ultrasónicos del tamaño de un tampón proporcionan imágenes claras del corazón, los pulmones y otros órganos internos.
Cuando los médicos necesitan imágenes en vivo de los órganos internos de un paciente, a menudo recurren a imágenes de ultrasonido para obtener una ventana segura y no invasiva de cómo funciona el cuerpo. Para capturar estas imágenes perspicaces, técnicos expertos manipulan varitas y sondas de ultrasonido para dirigir ondas de sonido al cuerpo. Estas ondas se reflejan entre sí y se utilizan para producir imágenes de alta resolución del corazón, los pulmones y otros órganos profundos de un paciente.
Actualmente, las imágenes por ultrasonido requieren equipos grandes y especializados disponibles solo en hospitales y consultorios médicos. Sin embargo, un nuevo diseño desarrollado por[{” attribute=””>MIT engineers might make the technology as wearable and accessible as buying Band-Aids at the drugstore.
The engineers presented the design for the new ultrasound sticker in a paper published on July 28 in the journal Science. The stamp-sized device sticks to skin and can provide continuous ultrasound imaging of internal organs for 48 hours.
To demonstrate the invention, the researchers applied the stickers to volunteers. They showed the devices produced live, high-resolution images of major blood vessels and deeper organs such as the heart, lungs, and stomach. As the volunteers performed various activities, including sitting, standing, jogging, and biking, the stickers maintained a strong adhesion and continued to capture changes in underlying organs.
In the current design, the stickers must be connected to instruments that translate the reflected sound waves into images. According to the researchers, the stickers could have immediate applications even in their current form. For example, the devices could be applied to patients in the hospital, similar to heart-monitoring EKG stickers, and could continuously image internal organs without requiring a technician to hold a probe in place for long periods of time.
Making the devices work wirelessly is a goal the team is currently working toward. If they are successful, the ultrasound stickers could be made into wearable imaging products that patients could take home from a doctor’s office or even buy at a pharmacy.
“We envision a few patches adhered to different locations on the body, and the patches would communicate with your cellphone, where AI algorithms would analyze the images on demand,” says the study’s senior author, Xuanhe Zhao, professor of mechanical engineering and civil and environmental engineering at MIT. “We believe we’ve opened a new era of wearable imaging: With a few patches on your body, you could see your internal organs.”
The study also includes lead authors Chonghe Wang and Xiaoyu Chen, and co-authors Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, and Tao Zhao at MIT, along with Hsiao-Chuan Liu of the Mayo Clinic in Rochester, Minnesota.
Una pregunta pegajosa
Para generar imágenes con ultrasonido, un técnico primero aplica un gel líquido a la piel del paciente, que actúa para transmitir ondas de ultrasonido. Luego se presiona una sonda, o transductor, contra el gel, enviando ondas de sonido a través del cuerpo que hacen eco de las estructuras internas y regresan a la sonda, donde las señales devueltas se traducen en imágenes visuales.
Para los pacientes que requieren largos períodos de obtención de imágenes, algunos hospitales ofrecen sondas conectadas a brazos robóticos que pueden sostener un transductor en su lugar sin fatigarse, pero el gel de ultrasonido líquido se filtrará y se secará con el tiempo, interrumpiendo la obtención de imágenes a largo plazo.
En los últimos años, los científicos han explorado diseños de sondas de ultrasonido expandibles que proporcionarían imágenes portátiles y discretas de los órganos internos. Estos diseños produjeron una matriz flexible de diminutos transductores de ultrasonido, con la idea de que dicho dispositivo se estiraría y se ajustaría al cuerpo del paciente.
Pero estos diseños experimentales produjeron imágenes de baja resolución, en parte debido a su estiramiento: a medida que se mueven con el cuerpo, los transductores se mueven entre sí, distorsionando la imagen resultante.
“Una herramienta portátil de imágenes por ultrasonido tendría un enorme potencial en el futuro del diagnóstico clínico. Sin embargo, la resolución y el tiempo de obtención de imágenes de los parches de ultrasonido existentes son relativamente bajos y no pueden obtener imágenes de órganos profundos”, dice Chonghe Wang, estudiante de posgrado en el MIT.
Una mirada al interior
Al combinar una capa adhesiva elástica con una matriz rígida de transductores, la nueva etiqueta ultrasónica del equipo del MIT produce imágenes de mayor resolución durante un período más prolongado. “Esta combinación permite que el dispositivo se adapte a la piel mientras mantiene la ubicación relativa de los transductores para generar imágenes más claras y precisas”. Wang dijo.
La capa adhesiva del dispositivo consta de dos capas delgadas de elastómero que encapsulan una capa intermedia de hidrogel sólido, un material principalmente a base de agua que transmite fácilmente las ondas de sonido. A diferencia de los geles de ultrasonido tradicionales, el hidrogel del equipo del MIT es elástico y elástico.
“El elastómero previene la deshidratación del hidrogel”, dice Chen, becario postdoctoral en el MIT. “Solo cuando el hidrogel está altamente hidratado, las ondas acústicas pueden penetrar de manera efectiva y proporcionar imágenes de alta resolución de los órganos internos”.
La capa de elastómero inferior está diseñada para adherirse a la piel, mientras que la capa superior se adhiere a una matriz rígida de transductores que el equipo también diseñó y fabricó. Toda la etiqueta ultrasónica tiene unos 2 centímetros cuadrados de diámetro y 3 milímetros de grosor, aproximadamente el área de un sello postal.
Los investigadores sometieron la pegatina a ultrasonido a través de una batería de pruebas con voluntarios sanos, que llevaban las pegatinas en varias partes del cuerpo, incluido el cuello, el pecho, el abdomen y los brazos. Las pegatinas permanecieron adheridas a la piel y produjeron imágenes claras de las estructuras subyacentes durante un máximo de 48 horas. Durante este tiempo, los voluntarios realizaron una variedad de actividades en el laboratorio, desde sentarse y pararse hasta trotar, andar en bicicleta y levantar pesas.
A partir de las imágenes de las pegatinas, el equipo pudo observar el cambio en el diámetro de los principales vasos sanguíneos cuando estaban sentados en comparación con cuando estaban de pie. Las pegatinas también capturaron detalles más profundos de los órganos, como la forma en que el corazón cambia de forma a medida que se mueve durante el ejercicio. Los investigadores también pudieron observar cómo el estómago se expandía y luego se retraía mientras los voluntarios bebían y luego expulsaban jugo de su sistema. Y mientras algunos voluntarios levantaban pesas, el equipo pudo detectar patrones de luz en los músculos subyacentes, lo que indica un microdaño temporal.
“A través de las imágenes, podríamos capturar el momento de un entrenamiento antes del uso excesivo y detenerlo antes de que los músculos duelan”, dice Chen. “Todavía no sabemos cuándo podría ser ese momento, pero ahora podemos proporcionar datos de imágenes que los expertos pueden interpretar”.
El equipo de ingeniería está trabajando para que las pegatinas funcionen de forma inalámbrica. También están desarrollando algoritmos de software basados en IA que pueden interpretar y diagnosticar mejor las imágenes de las pegatinas. A continuación, Zhao prevé que los adhesivos de ultrasonido puedan ser empaquetados y comprados por pacientes y consumidores, y utilizados no solo para monitorear varios órganos internos, sino también la progresión de tumores, así como el desarrollo de fetos en el útero.
“Imaginamos que podríamos tener una caja de calcomanías, cada una diseñada para representar una ubicación diferente en el cuerpo”, explica Zhao. “Creemos que esto representa un gran avance en dispositivos portátiles e imágenes médicas”.
Referencia: “Ultrasonido bioadhesivo para imágenes continuas a largo plazo de varios órganos” por Chonghe Wang, Xiaoyu Chen, Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, Hsiao-Chuan Liu, Tao Zhou y Xuanhe Zhao, 28 de julio de 2022, La ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abo2542
Esta investigación fue financiada, en parte, por el MIT, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT.
