مهندسان MIT چسب های جدید اولتراسوندی در ابعاد یک تمبر ساخته اند که، می تواند تصاویر واضحی از قلب، ریه ها و سایر اندام های داخلی بدن به پزشکان ارائه دهد. برای آشنایی بیشتر با نحوه کار چسب های جدید سونوگرافی تا پایان مطلب با های فن تک همراه باشید.
هنگامی که پزشکان به تصاویر زنده از اندام های داخلی بیمار نیاز دارند، اغلب با تصویربرداری اولتراسوند از طریق روش امن و غیرتهاجمی عملکرد بدن را مورد بررسی قرار می دهند. به منظور ثبت این تصاویر، تکنسین های آموزش دیده با دستکاری میله ها و کاوشگرهای اولتراسوند امواج صوتی را به داخل بدن هدایت می کنند. این امواج به بیرون منعکس می شوند و برای تولید تصاویر با وضوح بالا از قلب، ریه ها و سایر اندام های عمیق بیمار استفاده می شوند.
تصویربرداری اولتراسوند در حال حاضر به تجهیزات حجیم و تخصصی نیاز دارد که، فقط در بیمارستان ها و مطب های پزشک موجود است. با این حال، طراحی جدیدی که توسط مهندسان MIT ارائه شده است، این فناوری را به اندازه خرید چسب زخم در داروخانه،برای عموم مردم قابل پوشیدن و در دسترس قرار دهد.
مهندسان طرح برچسب جدید اولتراسوند، موفق شدند مقاله خود را 28 جولای در مجله Science منتشر کنند. این دستگاه در ابعاد تمبر به پوست می‌چسبد و می‌تواند به مدت 48 ساعت تصویربرداری سونوگرافی مداوم از اندام‌های داخلی ارائه دهد.
برای نشان دادن این اختراع، محققان این برچسب ها را روی داوطلبان آزمایش کردند. آنها نشان دادند که این دستگاه می تواند تصاویر زنده و با وضوح بالا از رگ های خونی اصلی و اندام های عمیق تر مانند قلب، ریه ها و معده تولید کند. داوطلبان فعالیت های مختلفی از جمله نشستن، ایستادن، دویدن و دوچرخه سواری را انجام می دادند، در تمام این موارد، برچسب‌ها چسبندگی قوی داشتند و به ثبت تغییرات در اندام های زیرین ادامه می دادند.
در طراحی فعلی، برچسب ها باید به ابزارهایی متصل شوند که امواج صوتی منعکس شده را به تصویر تبدیل کنند. به گفته محققان، این استیکرها حتی در شکل فعلی، می توانند کاربردهای فراوانی داشته باشند. برای مثال، این دستگاه‌ها را می‌توان مانند برچسب‌های EKG مانیتورینگ قلب بر روی بیماران قلبی در بیمارستان استفاده کرد، علاوه بر این، می‌تواند به طور مداوم از اندام‌های داخلی بدن بدون نیاز به تکنسین برای نگه داشتن پروب، مدت طولانی در جای خود ثابت باقی مانده و تصویربرداری کند.
کارکرد بی سیم این دستگاه ها هدفی است که، تیم در حال حاضر روی آن کار می کند. اگر آنها موفق شوند، برچسب‌های اولتراسوند می‌توانند به محصولات تصویربرداری پوشیدنی تبدیل شوند که، بیماران می‌توانند از مطب پزشک تهیه و به خانه ببرند یا حتی از داروخانه بخرند.
نویسنده ارشد این مطالعه، ژوانه ژائو، استاد مهندسی مکانیک و عمران، می‌گوید: «ما تصور می‌کنیم که وقتی چند برچسب در مکان‌های مختلف بدن چسبیده باشند، می توانند با تلفن همراه شما ارتباط برقرار می‌کنند، جایی که الگوریتم‌های هوش مصنوعی تصاویر را در صورت درخواست تجزیه و تحلیل خواهند کرد. مهندسان محیط زیست در MIT معتقدند که، دوران جدیدی از تصویربرداری پوشیدنی را آغاز کرده اند: با چند تکه چسب روی بدن، می‌توانید اندام‌های داخلی خود را ببینید.»
این مطالعه را محققان اصلی Chonghe Wang و Xiaoyu Chen و نویسندگان همکار Liu Wang، Mitsutoshi Makihata و Tao Zhao در MIT، همراه با Hsiao-Chuan Liu از کلینیک Mayo در روچستر، مینه‌سوتا انجام داده اند.
یک مسئله چسبنده
برای تصویربرداری با اولتراسوند در حالت فعلی، یک تکنسین ابتدا یک ژل مایع را روی پوست بیمار اعمال می کند که به انتقال امواج اولتراسوند کمک می کند. سپس توسط یک دسته متصل به دستگاه یا همان کاوشگر بر روی ژل فشار داده می‌شود و امواج صوتی را به بدن ارسال می‌کند که از ساختارهای داخلی بازتاب می‌کند و به کاوشگر بازمی‌گردد، جایی که سیگنال‌های پژواک به تصاویر بصری تبدیل می‌شوند.
برای بیمارانی که به دوره‌های طولانی تصویربرداری نیاز دارند، برخی از بیمارستان‌ها پروب‌هایی را ارائه می‌دهند که روی بازوهای رباتیک نصب می‌شوند و قادرند مبدل را بدون خستگی در جای خود ثابت نگه دارند، اما ژل اولتراسوند مایع با گذشت زمان از بین رفته و خشک می‌شود، بنابراین تصویربرداری طولانی‌مدت را غیر ممکن می کند.
در سال‌های اخیر، دانشمندان طرح‌هایی را برای کاوشگرهای اولتراسوند با قابلیت کششی بررسی کرده‌اند که، می‌تواند تصویربرداری سیار و کم‌حجم از اندام‌های داخلی را ارائه دهد. این طرح‌ها مجموعه‌ای انعطاف‌پذیر از مبدل‌های اولتراسوند کوچک را ارائه می‌کند، ایده ساخت این بود که چنین دستگاهی کشیده می‌شود و با بدن بیمار تعامل دارد.
اما این طرح‌های آزمایشی، تا حدی به دلیل کشششان، تصاویری با وضوح پایین تولید می کردند: زمانی که بدن در حالت حرکت باشد، مکان مبدل‌ها نسبت به یکدیگر تغییر کرده و تصویر حاصل را مخدوش می‌کنند.
ابزار تصویربرداری فراصوت پوشیدنی پتانسیل زیادی در آینده تشخیص بالینی خواهد داشت. با این حال، وضوح و مدت زمان تصویربرداری تکه‌های اولتراسوند موجود نسبتاً کم است و نمی‌توانند از اندام‌های عمیق تصویربرداری کنند.
نگاهی به درون
وانگ می گوید: برچسب سونوگرافی جدید تیم MIT با جفت کردن یک لایه چسب کشدار با آرایه هایی از مبدل‌های مقاوم تشکیل شده که، تصاویری با وضوح بالاتر در مدت زمان طولانی‌تری تولید می‌کند. این ترکیب دستگاه را قادر می‌سازد تا با پوست منطبق شود و در عین حال موقعیت نسبی مبدل‌ها را حفظ کند تا تصاویر واضح‌تر و دقیق‌تری تولید کند.
لایه چسب این دستگاه از دو لایه نازک الاستومر ساخته شده است که، لایه میانی هیدروژل جامد را در خود جای داده است، ماده ای عمدتاً بر پایه آب می باشد و امواج صوتی را به راحتی منتقل می کند. بر خلاف ژل های سونوگرافی سنتی، هیدروژل تیم MIT خاصیت الاستیک و کشسانی دارد.
چن، فوق دکترای MIT می گوید: «الاستومر از کم آبی هیدروژل جلوگیری می کند. تنها زمانی که هیدروژل به شدت هیدراته شده باشد، امواج صوتی می توانند به طور موثر نفوذ کنند و تصویربرداری با وضوح بالا از اندام های داخلی ارائه دهند.»
لایه پایینی الاستومری به گونه ای طراحی شده است که به پوست بچسبد، اما در لایه بالایی آن مجموعه ای از مبدل ها قرار دارند که توسط این تیم طراحی و ساخته شده است. اندازه کل برچسب اولتراسوند حدود 2 سانتی متر مربع و ضخامت 3 میلی متر است، تقریباً مساحت یک تمبر پستی.
محققان برچسب اولتراسوند را با کمک یک باتری روی داوطلبان سالم آزمایش کردند که، این برچسب‌ها را روی قسمت‌های مختلف بدن خود از جمله گردن، سینه، شکم و بازوها می‌بستند. این برچسب ها به پوست چسبیده و تا 48 ساعت تصاویر واضحی از اعماق بدن ارسال کردند. در این مدت، داوطلبان فعالیت های مختلفی را مانند نشستن و ایستادن گرفته تا دویدن، دوچرخه سواری و وزنه زدن، در آزمایشگاه انجام دادند.
از روی تصاویر برچسب‌ها، تیم توانست تغییر قطر رگ‌های خونی اصلی را هنگام نشستن در مقابل ایستادن مشاهده کند. این برچسب‌ها همچنین جزئیات اندام‌های عمیق‌تر بدن، مانند نحوه تغییر شکل قلب در حین ورزش را به تصویر بکشند. محققان همچنین قادر به تماشای انبساط معده بودند که با نوشیدن آب توسط داوطلبان کاهش یافته و سپس آب از سیستم خارج شد. در حالی که برخی از داوطلبان وزنه‌ها را بلند می‌کردند. تیم می‌توانست الگوهای روشنی را در عضلات زیرین شناسایی کند که، نشان‌دهنده آسیب‌های کوچک موقتی است.
چن می‌گوید: «با این روش تصویربرداری، ممکن است بتوانیم لحظه‌ای را در حین انجام این تمرین به تصویر بکشیم و قبل از این که ماهیچه‌ها دچار درد شوند، متوقف کنیم. ما اکنون می توانیم داده های تصویری را ارائه کنیم که، کارشناسان بتوانند تفسیر کنند.
تیم مهندسی در حال حاضر مشغول کار بر روی عملکرد بی سیم برچسب ها می باشند. آنها علاوه بر این، تلاش می کنند تا الگوریتم های نرم افزاری مبتنی بر هوش مصنوعی را توسعه دهند، تا تصاویر برچسب ها را بهتر تفسیر و شناسایی کند. ژائو فکر می کند، روزی بیماران و مصرف کنندگان قادر خواهند بود این برچسب های اولتراسوند بسته بندی شده را خریداری کنند. این روش علاوه بر نظارت بر اندام های داخلی مختلف، می تواند در پیشرفت تومورها و همچنین بررسی رشد جنین در رحم استفاده شوند.
ژائو می‌گوید: «ما تصور می‌کنیم که می‌توانیم جعبه‌ای از برچسب‌ها داشته باشیم که، هر کدام برای تصویربرداری از مکان خاصی از بدن طراحی شده‌اند. ما معتقدیم که این نشان دهنده یک پیشرفت در دستگاه های پوشیدنی و تصویربرداری پزشکی است.»