L’imaging a ultrasuoni è una finestra sicura e non invasiva sul funzionamento del corpo, fornisce al personale medico immagini dal vivo degli organi interni di un paziente. Tecnici qualificati per acquisire queste immagini, manovrano trasduttori (simili a bacchette) e sonde a ultrasuoni per dirigere le onde sonore nel corpo, queste onde si riflettono all’esterno per produrre immagini ad alta risoluzione del cuore, dei polmoni e di altri organi interni di un paziente.
L’ecografia attualmente richiede apparecchiature ingombranti e specializzate disponibili solo negli ospedali e negli studi medici. Il nuovo dispositivo degli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology MIT potrebbe rendere la tecnologia indossabile accessibile come l’acquisto di cerotti in farmacia.
Il team di ingegneri del MIT in un articolo pubblicato nella rivista Science, hanno presentato il progetto di un nuovo adesivo a ultrasuoni, un dispositivo delle dimensioni di un francobollo che si attacca alla pelle e per 48 ore può fornire immagini ecografiche continue degli organi interni.
I ricercatori dopo aver applicato gli adesivi a dei volontari, hanno dimostrato che i dispositivi producevano immagini in diretta e ad alta risoluzione dei principali vasi sanguigni e degli organi più profondi come cuore, polmoni e stomaco. Gli adesivi hanno mantenuto una forte adesione e hanno acquisito i cambiamenti negli organi sottostanti mentre i volontari svolgevano varie attività, tra cui sedersi, stare in piedi, fare jogging e andare in bicicletta (vedi video).
Il progetto attuale prevede il collegamento degli adesivi a strumenti che traducono le onde sonore riflesse in immagini. I ricercatori sottolineano che, anche nella loro forma attuale, gli adesivi potrebbero avere applicazioni immediate: per esempio, essere applicati ai pazienti in ospedale, in modo simile agli adesivi per il monitoraggio cardiaco dell’elettrocardiogramma; e senza richiedere a un tecnico di tenere una sonda in posizione per lunghi periodi di tempo, potrebbero riprodurre continuamente immagini degli organi interni.
I dispositivi se saranno in grado di funzionare senza fili (un obiettivo a cui il team sta attualmente lavorando), gli adesivi a ultrasuoni potrebbero essere trasformati in prodotti di imaging indossabili, in questo modo i pazienti dallo studio medico potrebbero portarli a casa o persino acquistare in farmacia.
Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale al MIT, ha detto:
«Immaginiamo che alcuni cerotti vengano applicati in diversi punti del corpo e che comunichino con il cellulare, dove gli algoritmi di intelligenza artificiale analizzeranno le immagini su richiesta. Crediamo di aver aperto una nuova era dell’imaging indossabile, con pochi cerotti sul corpo, si potrebbero vedere gli organi interni».
Una questione spinosa
I ricercatori hanno detto che per eseguire un’immagine con gli ultrasuoni, un tecnico applica un gel liquido sulla pelle del paziente, agisce per trasmettere le onde ultrasonore; una sonda, o trasduttore, viene quindi premuta contro il gel, inviando onde sonore nel corpo che riecheggiano sulle strutture interne e tornano alla sonda, dove i segnali riecheggiati vengono tradotti in immagini visive.
È stato evidenziato che per i pazienti che necessitano di lunghi periodi di imaging, alcuni ospedali offrono sonde fissate a bracci robotici che possono tenere un trasduttore in posizione senza affaticarsi, ma il gel liquido per ultrasuoni nel tempo scorre via e si asciuga, interrompendo l’imaging a lungo termine.
I ricercatori negli ultimi anni hanno esplorato progetti per sonde a ultrasuoni estensibili in grado di fornire immagini portatili e di basso profilo degli organi interni, questi progetti prevedevano una serie flessibile di minuscoli trasduttori a ultrasuoni, con l’idea che il dispositivo si sarebbe allungato e conformato al corpo del paziente. Purtroppo questi progetti sperimentali hanno prodotto immagini a bassa risoluzione, in parte a causa del loro allungamento: muovendosi con il corpo, i trasduttori si spostano l’uno rispetto all’altro, distorcendo l’immagine risultante.
Chonghe Wang, ricercatore del MIT, inventore degli ultrasuoni indossabili, ha detto:
«Uno strumento di imaging a ultrasuoni indossabile avrebbe un enorme potenziale nel futuro della diagnosi clinica. Tuttavia, la risoluzione e la durata dell’imaging dei cerotti a ultrasuoni esistenti sono relativamente basse, e non sono in grado di riprodurre le immagini degli organi profondi».
Uno sguardo dall’interno
Il nuovo adesivo a ultrasuoni del team del MIT produce immagini a risoluzione più elevata per una durata maggiore, abbinando uno strato adesivo elastico a una serie rigida di trasduttori.
Chonghe Wang ha detto:
«Questa combinazione permette al dispositivo di conformarsi alla pelle mantenendo la posizione relativa dei trasduttori per generare immagini più chiare e precise».
Lo strato adesivo del dispositivo è costituito da due sottili strati di elastomero che incapsulano uno strato centrale di idrogel solido, un materiale prevalentemente a base d’acqua che trasmette facilmente le onde sonore. L’idrogel del MIT a differenza dei tradizionali gel per ultrasuoni è elastico e flessibile.
Xiaoyu Chen ricercatore del MIT tra gli autori dello studio, ha detto:
«L’elastomero impedisce la disidratazione dell’idrogel, solo quando l’idrogel è molto idratato le onde acustiche possono penetrare efficacemente e fornire immagini ad alta risoluzione degli organi interni».
Lo strato inferiore di elastomero è progettato per aderire alla pelle, mentre lo strato superiore aderisce a una serie rigida di trasduttori che il team di ricercatori ha progettato e fabbricato. L’intero adesivo a ultrasuoni, non più grande di un francobollo, misura circa 2 centimetri quadrati di lato e 3 millimetri di spessore.
I ricercatori hanno sottoposto l’adesivo a ultrasuoni a una serie di test con volontari sani, hanno testato gli adesivi su varie parti del corpo, tra cui collo, petto, addome e braccia. Gli adesivi sono rimasti attaccati alla pelle e hanno prodotto immagini chiare delle strutture sottostanti per un massimo di 48 ore. I volontari durante questo periodo hanno svolto una serie di attività in laboratorio, dalla posizione seduta e in piedi, al jogging, alla bicicletta e al sollevamento di pesi.
Il team di ricercatori dalle immagini degli adesivi, quando si è seduti rispetto a quando si è in piedi, ha potuto osservare la variazione del diametro dei principali vasi sanguigni. Gli adesivi hanno anche acquisito i dettagli degli organi più profondi, come il modo in cui il cuore cambia forma durante lo sforzo fisico. I ricercatori hanno anche potuto osservare lo stomaco che si distendeva e poi si ritraeva mentre i volontari bevevano e poi espellevano il liquido dal loro organismo. E mentre alcuni volontari sollevavano pesi, il team ha potuto rilevare schemi luminosi nei muscoli sottostanti, che segnalavano microdanni temporanei.
Xiaoyu Chen ha detto:
«Con le immagini, potremmo essere in grado di catturare il momento di un allenamento prima dell’uso eccessivo e fermarci prima che i muscoli diventino doloranti. Ora non sappiamo ancora quando potrebbe essere quel momento, ma possiamo fornire dati di imaging che gli esperti possono interpretare».
Il team di ricercatori sta lavorando per far funzionare gli adesivi in modalità wireless. Sta inoltre sviluppando algoritmi software basati sull’intelligenza artificiale in grado di interpretare e diagnosticare meglio le immagini degli adesivi.
Xuanhe Zhao prevede che gli adesivi a ultrasuoni possano essere confezionati e acquistati da pazienti e consumatori e utilizzati non solo per monitorare vari organi interni, ma anche la progressione/regressione dei tumori e lo sviluppo dei feti nell’utero.
Xuanhe Zhao in conclusione ha detto:
«Immaginiamo di poter avere una scatola di adesivi, ognuno dei quali è stato progettato per riprodurre un’immagine di una diversa zona del corpo, crediamo che questo rappresenti una svolta nei dispositivi indossabili e nell’imaging medico».