Мягкий УЗИ-датчик с жидкими электродами проследит за сердцем длительное время

Ученые создали гибкий сенсор для ультразвуковой диагностики. X-образный датчик размером 1,27 × 1,27 сантиметра можно приклеить к коже — благодаря жидким электродам на силиконовой подложке он растягивается вместе с кожей. Присоединив к нему источник питания и устройство для анализа сигнала, можно длительное время регистрировать ультразвуковое изображение сердца. Помимо датчика ученые создали нейросеть для автоматизированной обработки результатов УЗИ-мониторинга. Устройство позволит проводить длительные исследования сократительной способности сердца в эксперименте и в клинической практике. Статья опубликована в журнале Nature.

Ультразвуковая диагностика используется для оценки функции многих внутренних органов. Но врачи пока не используют ультразвук в рамках длительного мониторинга их функции. Причина тому в сложности УЗИ-датчика, состоящего из десятков или сотен пьезоэлементов. Обычно это жесткое и весьма громоздкое устройство, а портативный сенсор должен умещаться в наклейку толщиной до нескольких миллиметров и плотно прилегать к коже — иначе ультразвук легко рассеется в прослойке воздуха между датчиком и тканями организма, что ухудшит визуализацию. При исследовании сердца есть еще одна дополнительная ложность: при дыхании легкие, сердце и ребра двигаются друг относительно друга, что ухудшает визуализацию.

Тем не менее, попытки создать датчик, пригодный для длительного УЗИ-мониторирования, продолжаются, и разные команды исследователей используют разные подходы. Либо можно вживить датчик под кожу, прямо на поверхность сердца (мы рассказывали про такой прототип), но такой метод вряд ли подойдет в рутинной клинической практике. Можно создавать системы для неинвазивного УЗИ с жестким датчиком, но они хорошо себя показывают только при визуализации органов с относительно простым расположением.

Ученые из Калифорниийского университета в Сан-Диего во главе с Шеном Сю (Sheng Xu) создали гибкий УЗИ-датчик для длительного мониторинга функции сердца. Их датчик состоит из цирконий-титанового пьезоэлемента PZT-5H с жидкими галлий-индиевыми электродами на силиконовой подложке, поглощающей пузырьки воздуха. Датчик имеет размеры 1,27 × 1,27 сантиметра и толщину чуть более миллиметра. Устройство позволяет регистрировать изображение по двум перпендикулярным осям, в обоих направлениях работает по 32 пьезоэлемента с шагом в 0,4 миллиметра. Благодаря жидким электродам устройство имеет растяжимость, сопоставимую с растяжимостью кожи

Датчик способен генерировать и воспринимать ультразвук частотой в три мегагерца, что позволяет исследовать ткани тела, расположенные на глубине 16 сантиметров. Разрешающая способность сенсора при заданной архитектуре и настройках составляла до 1,5 × 3,7 миллиметров на небольшой глубине (четыре сантиметра) и до 3,5 × 6,5 миллиметров на глубине 11 сантиметров (у современных приборов для трансторакальной эхокардиографии разрешающая способность часто ниже миллиметра).

Исследователи испытали датчик на добровольцах. Для этого они приклеивали каждому испытуемому по два датчика — в левую парастернальную и апикальную позиции. Доктор Сю с коллегами провели записи сердца в покое и во время пробы с физической нагрузкой. Кроме того, они провели суточный мониторинг УЗИ сердца, и для анализа такого массива данных ученые создали нейросеть, которая автоматически анализировала параметры сократимости левого желудочка. Объемы желудочка, измеренные автоматически, совпадали с результатами ручных измерений с точностью до 1,5 миллилитров.

Качество изображения было сопоставимо с качеством при эхокардиографическом исследовании, полученном на обычных портативных аппаратах, хотя при форсированном дыхании легкие периодически перекрывали сердце, снижая качество эхолокации. Впрочем, основной упор в исследовании авторы сделали именно на анализ работы левого желудочка — крупной камеры, легко поддающейся анализу. Но доктор Сю с коллегами отмечают, что доработка метода может позволить использовать УЗИ-мониторинг для оценки состояния крупных присердечных сосудов и для проведения длительных проб с физической нагрузкой.

Ультразвук можно использовать в медицине не только для диагностики, но и для лечения. Так, мы рассказывали про то, как благодаря ультразвуку медики смогли доставить лекарство на основе антител через гематоэнцефалический барьер в мозг.