Носимый датчик УЗИ проработал двое суток на добровольцах в движении и под водой

Американские исследователи разработали помехоустойчивый носимый датчик для УЗИ. Будучи наклеенным на кожу, он обеспечивает четкий стабильный сигнал с высоким разрешением в течение 48 часов. Отчет о работе опубликован в журнале Science.

УЗИ — универсальный и широко распространенный метод неинвазивной и не связанной с ионизирующим излучением визуализации внутренних органов, сосудов и мягких тканей. Сейчас оно проводится в виде кратковременных сеансов в статическом положении, что связано с устройством датчика, утомлением руки врача (вплоть до хронических повреждений мышц, связок и суставов) и организационными вопросами (в том числе повсеместным дефицитом специалистов). При этом продолжительное УЗИ, в том числе у движущегося пациента, имеет множество областей применения, среди которых проведение стресс-эхокардиографии, наблюдение за мозговым кровотоком во время наркоза, телемедицинский мониторинг при хронических заболеваниях, научные исследования.

Существующие подходы включают фиксацию на теле обычных датчиков с помощью ремней и пластырей или роботизированных систем, а также растяжимые устройства. Все они имеют серьезные недостатки. Обычные датчики громоздки, ограничивают подвижность и из-за достаточно сильного прижатия к коже применимы не ко всем анатомическим областям (например, для УЗ-мониторинга сосудов шеи они не подходят из-за сдавления дыхательных путей). Использование растяжимых устройств также ограничено из-за низкого разрешения, сильных помех при движениях и ограничений проводящих сред (гидрогели быстро высыхают, эластомеры сильно поглощают сигнал и не позволяют рассматривать глубинные анатомические структуры).

Исследователи из Массачусетского технологического института, компании Makihata Engineering и клиники Майо под руководством Чжао Сюаньхэ (Xuanhe Zhao) решили усовершенствовать технологию продолжительной регистрации УЗИ, совместив жесткий датчик высокого разрешения с гибкой гидрогелево-эластомерной подложкой. Разработанное устройство получило название BAUS (bioadhesive ultrasound).

Тонкий жесткий датчик содержит на квадратный сантиметр 400 высокопроизводительных пьезоэлектрических элементов с рабочими частотами 3, 7 или 10 мегагерц. Они заключены между двумя плоскими электрическими цепями, которые изготовлены с помощью 3D-печати (разрешение 100 микрометров), лазерного травления (10 микрометров) или фотолитографии (один микрометр). Эта конструкция приклеена к деформируемой подложке из мягкого, но плотного хитозан-полиакриламидного гидрогеля, заключенного в тонкую (менее 40 микрометров) эластомерную капсулу, что обеспечивает надежную длительную фиксацию и отсутствие помех при движениях. Датчик имеет сантиметр в ширину и два — в длину при толщине в три миллиметра и массе от 10 до 40 граммов. Он подключается к большинству современных регистраторов по принципу plug and play с помощью плоского гибкого кабеля.

В эксперименте по растяжению на свиной коже, а также стандартном тесте ASTM D2861 на сдирание под углом 90 градусов устройство продемонстрировало адгезию более 500 джоулей на квадратный метр — выше, чем у стандартных гидрогелей, эластомеров и акриловых клейких лент. Это качество сохранялось на протяжении 48 часов как на воздухе, так и под водой. При этом аккуратное отклеивание пинцетом не повреждало кожу.

15 добровольцев, которым наклеивали датчик на руку, шею, грудную клетку или поясницу, за двое суток постоянного ношения не отметили проявлений кожного дискомфорта (раздражения, сухости, зуда, покраснения и других). Определенные лабораторно показатели искажения сигнала, электрического сопротивления, осевого и латерального разрешения оказались лучше, чем у имеющихся датчиков для длительного УЗ-мониторинга.

В серии экспериментов на людях BAUS позволил четко регистрировать изменения просвета сонной артерии и яремной вены в покое, разных положениях тела, повороте шеи на 30 градусов, при физической нагрузке и повышении артериального давления. С помощью этого устройства исследователи смогли в высоком разрешении динамически наблюдать за сокращениями мышц при упражнениях, а также за дыхательными движениями диафрагмы, работой сердца, наполнением и опорожнением желудка.

В текущем виде BAUS требует подключения к аппарату-регистратору и не подходит для мобильных наблюдений. В настоящее время исследователи работают над миниатюризацией системы в виде интерфейса для смартфонов или полностью интегрированного УЗИ-на-чипе. Тем не менее датчик уже пригоден для длительного мониторинга в клинических условиях, например, в реанимации, на операциях, в инфекционных изоляторах, для стресс-ЭхоКГ и оценки поражения легких при ковиде и других заболеваниях. Также его можно использовать в научных исследованиях для неинвазивного динамического наблюдения за работой органов, развитием тканей (включая эмбриональные) и ростом опухолей.

Разработка BAUS стала очередным шагом в развивающемся направлении биоинтеграции медицинских систем. Уже сейчас доступны носимые гаджеты для регистрации пульса, артериального давления, насыщения крови кислородом, уровня глюкозы в крови и других показателей. Экспериментальные нательные устройства позволяют проводить такие сложные исследования как, например, динамическую МРТ, магнитоэнцефалографию и комплексную оценку состояния пациентов с астмой. Они светятся, сами добывают себе энергию и умеют вводить лекарство; их печатают прямо на коже 3D-принтером. Для создания накожных анализаторов биохимического состава пота разные научные группы использовали эластичные платы, микрофлюидные чипы, электрохимические транзисторы и даже шелк.