Ingenieros del MIT desarrollan pegatinas de ultrasonido que pueden ver el interior del cuerpo

Parche adhesivo que produce imágenes de ultrasonido del cuerpo

Los ingenieros del MIT diseñaron un parche adhesivo que produce imágenes de ultrasonido del cuerpo. El dispositivo del tamaño de un sello 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 de ultrasonido del tamaño de un sello brindan 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 al funcionamiento del cuerpo. Para capturar estas imágenes perspicaces, técnicos capacitados manipulan varillas y sondas de ultrasonido para dirigir ondas de sonido al cuerpo. Estas ondas se reflejan 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 voluminosos 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.

Un problema pegajoso

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, que envía ondas de sonido al cuerpo que hacen eco en las estructuras internas y regresan a la sonda, donde las señales de eco se traducen en imágenes visuales.

Para los pacientes que requieren largos períodos de obtención de imágenes, algunos hospitales ofrecen sondas adheridas a brazos robóticos que pueden sostener un transductor en su lugar sin cansarse, pero el gel de ultrasonido líquido fluye y se seca con el tiempo, interrumpiendo la obtención de imágenes a largo plazo.

En los últimos años, los científicos han explorado diseños de sondas de ultrasonido extensibles que proporcionarían imágenes portátiles y de bajo perfil de los órganos internos. Estos diseños dieron 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 han producido imágenes de baja resolución, en parte debido a su estiramiento: al moverse con el cuerpo, los transductores cambian de ubicación entre sí, distorsionando la imagen resultante.

“La herramienta portátil de imágenes por ultrasonido tendría un enorme potencial en el futuro del diagnóstico clínico. Sin embargo, la resolución y la duración de las imágenes de los parches de ultrasonido existentes es relativamente baja y no pueden obtener imágenes de órganos profundos”, dice Chonghe Wang, estudiante de posgrado del MIT.

Una mirada al interior

Al combinar una capa adhesiva elástica con una matriz rígida de transductores, la nueva etiqueta de ultrasonido 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 dice.

La capa adhesiva del dispositivo está hecha 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 sonoras. 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, un postdoctorado del MIT. “Solo cuando el hidrogel está altamente hidratado, las ondas acústicas pueden penetrar de manera efectiva y brindar 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 de ultrasonido mide aproximadamente 2 centímetros cuadrados de ancho y 3 milímetros de grosor, aproximadamente el área de un sello postal.

Los investigadores pasaron la etiqueta de ultrasonido a través de una serie de pruebas con voluntarios sanos, quienes usaron las etiquetas adhesivas en varias partes de sus cuerpos, 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 de diámetro de los principales vasos sanguíneos cuando estaban sentados o de pie. Las pegatinas también capturaron detalles de órganos más profundos, como la forma en que el corazón cambia de forma a medida que se esfuerza durante el ejercicio. Los investigadores también pudieron observar cómo el estómago se distendía y luego se encogía mientras los voluntarios bebían y luego expulsaban el jugo de su sistema. Y mientras algunos voluntarios levantaban pesas, el equipo pudo detectar patrones brillantes en los músculos subyacentes, lo que indica un microdaño temporal.

“Con las imágenes, podríamos capturar el momento en un entrenamiento antes del uso excesivo y detenernos antes de que los músculos se vuelvan adoloridos”, 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 inteligencia artificial que pueden interpretar y diagnosticar mejor las imágenes de las pegatinas. Luego, Zhao prevé que los adhesivos de ultrasonido podrían 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 del cuerpo”, dice 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, Ciencias.
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.

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