Ricercatori dell’Università della California San Diego hanno sviluppato un cerotto a ultrasuoni morbido ed elastico, può essere applicato sulla pelle per monitorare il flusso di sangue attraverso le principali arterie e vene, in profondità all’interno del corpo di una persona. È importante sapere quanto velocemente e quanto sangue scorre attraverso i vasi sanguigni di un paziente perché può aiutare i medici a diagnosticare varie condizioni cardiovascolari, tra cui coaguli di sangue, problemi alle valvole cardiache, cattiva circolazione negli arti o blocchi nelle arterie che potrebbero portare a ictus o attacchi di cuore.
Cerotto a ultrasuoni
Il nuovo cerotto a ultrasuoni sviluppato all’Università della California San Diego, in tempo reale può monitorare continuamente il flusso sanguigno, così come la pressione sanguigna e la funzione cardiaca. Indossare tale dispositivo potrebbe rendere più facile identificare in anticipo i problemi cardiovascolari.
Il team di ricercatori guidato da Sheng Xu, professore di nanoingegneria presso l’Università della California San Diego Scuola di ingeneria Jacobs, ha presentato il cerotto a ultrasuoni in un documento pubblicato nella rivista Nature Biomedical Engineering.
Il cerotto a ultrasuoni può essere applicato sul collo o sul petto, la sua particolarità è che in modo non invasivo può percepire e misurare i segnali cardiovascolari fino a 14 centimetri all’interno del corpo e può farlo con alta precisione.
Sheng Xu ha detto:
«Questo tipo di dispositivo indossabile può dare un quadro più completo e più accurato di ciò che sta succedendo nei tessuti profondi e negli organi critici come il cuore e il cervello, il tutto dalla superficie della pelle».
Chonghe Wang, un ex studente laureato in nanoingegneria nel laboratorio di Sheng Xu, primo co-autore dello studio ha detto:
«Rilevare i segnali a tali profondità è particolarmente impegnativo per l’elettronica indossabile. Eppure, questo è dove i segnali più critici del corpo e gli organi centrali sono collocati. Abbiamo progettato un dispositivo indossabile che può penetrare in tali profondità del tessuto e percepire quei segnali vitali molto al di sotto della pelle, questa tecnologia può fornire nuove indicazioni per il campo dell’assistenza sanitaria».
I ricercatori hanno detto che un’altra caratteristica innovativa del cerotto a ultrasuoni è che il fascio di ultrasuoni può essere inclinato ad angoli diversi e indirizzato verso aree del corpo che non sono direttamente sotto il cerotto.
Sheng Xu ha spiegato:
«Il nostro cerotto nel campo degli indossabili è innovativo perché i sensori indossabili esistenti in genere monitorano solo le aree proprio sotto di loro, se si desidera rilevare i segnali in una posizione diversa, è necessario spostare il sensore in quella posizione, con questo cerotto possiamo sondare aree che sono più ampie dell’impronta del dispositivo. Ciò può aprire molteplici opportunità».
Ecco come funziona il cerotto a ultrasuoni
Il cerotto è costituito da un sottile foglio di polimero flessibile ed estensibile che aderisce alla pelle. Incorporato nel cerotto c’è una serie di trasduttori a ultrasuoni di dimensioni millimetriche. Ognuno di essi è controllato individualmente da un computer, questo tipo di array (detto anche vettore o matrice, in informatica, indica una struttura dati complessa, statica e omogenea) è conosciuto come un phased array di ultrasuoni.
I sistemi phased array nello specifico emettono e ricevono impulsi da diversi elementi di un array, associando diversi elementi trasmissivi di onde, in modo da formare un solo fronte d’onda orientato nella direzione voluta; allo stesso modo nel sistema ricevitore si associano i segnali in ricezione di diversi elementi in una sola entità rappresentativa.
Visto che la tecnologia di fasatura permette l’orientazione e la modulazione di fasci elettronici, è possibile generare numerosi profili di fasci ad ultrasuoni da una singola sonda, questa orientazione del fascio può essere programmata dinamicamente per creare delle scansioni elettroniche. È una parte fondamentale della tecnologia perché dà al cerotto a ultrasuoni la capacità di andare più in profondità e più in largo.
La phased array offre due modalità principali di funzionamento: in una modalità, tutti i trasduttori insieme possono essere sincronizzati per trasmettere onde ultrasonore, il che produce un fascio di ultrasuoni ad alta intensità che si concentra su un punto fino a 14 centimetri di profondità nel corpo; nell’altra modalità, i trasduttori possono essere programmati per trasmettere fuori sincrono, ciò produce fasci di ultrasuoni che possono essere indirizzati ad angoli diversi.
Muyang Lin, studente di nanoingegneria all’Università della California San Diego, tra gli autori dello studio, ha detto:
«Con la tecnologia phased array, ad alta risoluzione, possiamo manipolare il fascio di ultrasuoni nel modo che vogliamo, questo dà al nostro dispositivo molteplici capacità come il monitoraggio degli organi centrali e del flusso sanguigno. Ciò non sarebbe possibile utilizzando un solo trasduttore».
Il phased array consiste in una griglia di 12 per 12 trasduttori a ultrasuoni. L’elettricità quando scorre attraverso i trasduttori, questi vibrano ed emettono onde ultrasonore che viaggiano attraverso la pelle e in profondità nel corpo. Le onde a ultrasuoni quando penetrano attraverso un vaso sanguigno importante, incontrano il movimento dei globuli rossi che scorrono all’interno, questo movimento cambia o sposta il modo in cui le onde a ultrasuoni fanno eco al cerotto, un effetto noto come spostamento di frequenza Doppler. Lo spostamento nei segnali riflessi raccolto dal cerotto, viene utilizzato per creare una registrazione visiva del flusso sanguigno, questo stesso meccanismo può anche essere usato per creare immagini in movimento delle pareti del cuore.
Potenziale punto di svolta nella pratica clinica
Il flusso sanguigno per molte persone non è qualcosa che viene misurato durante una regolare visita medica, di solito è valutato dopo che un paziente mostra alcuni segni di problemi cardiovascolari, o se un paziente è ad alto rischio. L’esame standard del flusso sanguigno stesso può richiedere molto tempo e lavoro, un tecnico addestrato preme una sonda a ultrasuoni portatile contro la pelle del paziente e la sposta da un’area all’altra fino a quando non è direttamente sopra un vaso sanguigno principale.
Sai Zhou, studente di dottorato in scienza dei materiali e ingegneria all’Università della California San Diego, co-autore dello studio, ha detto:
«Il cerotto dal momento che è semplice da usare, potrebbe risolvere questi problemi, è sufficiente attaccarlo sulla pelle e poi leggere i segnali, non dipende dall’operatore, e non comporta lavoro extra o oneri per i tecnici, i clinici o i pazienti. I pazienti in futuro potrebbero indossare qualcosa di simile per fare il punto di cura o il monitoraggio continuo a casa».
Il cerotto registra accuratamente il flusso di sangue nei principali vasi sanguigni come l’arteria carotidea, che è un’arteria nel collo che fornisce sangue al cervello. Avere la capacità di monitorare i cambiamenti in questo flusso potrebbe, per esempio, aiutare a identificare se una persona è a rischio di ictus ben prima dell’insorgenza dei sintomi.
I ricercatori sottolineano che il cerotto a ultrasuoni ha ancora una lunga strada da percorrere prima che sia pronto per l’utilizzo clinico, attualmente deve essere collegato a una fonte di alimentazione e a una macchina da banco per funzionare. Il team di Sheng XuIl sta lavorando per integrare tutta l’elettronica sul cerotto per renderlo wireless.
