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Las imágenes por ultrasonido son una ventana segura y no invasiva de cómo funciona el cuerpo, proporcionando a los médicos imágenes en vivo de los órganos internos de un paciente. Para capturar estas imágenes, técnicos capacitados manipulan varillas y sondas de ultrasonido para dirigir ondas de sonido al cuerpo. Estas ondas se reflejan para producir imágenes de alta resolución del corazón, los pulmones y otros órganos profundos de un paciente.
En la actualidad, las imágenes por ultrasonido requieren equipos grandes y especializados disponibles solo en hospitales y consultorios médicos. Pero un nuevo diseño de los ingenieros del MIT podría hacer que la tecnología sea tan portátil y accesible como comprar tiritas en la farmacia.
En un artículo publicado hoy en La cienciaLos ingenieros presentan el diseño de una nueva etiqueta de ultrasonido: un dispositivo del tamaño de un tampón que se adhiere a la piel y puede proporcionar imágenes de ultrasonido continuas de los órganos internos durante 48 horas.
Los investigadores aplicaron las pegatinas a los voluntarios y demostraron que los dispositivos producían imágenes en vivo de alta resolución de los principales vasos sanguíneos y órganos más profundos como el corazón, los pulmones y el estómago. Las pegatinas mantuvieron un vínculo fuerte y detectaron cambios en los órganos subyacentes a medida que los voluntarios realizaban diversas actividades, como sentarse, pararse, trotar y andar en bicicleta.
El diseño actual requiere conectar las pegatinas a instrumentos que traducen las ondas de sonido reflejadas en imágenes. Los investigadores señalan que incluso en su forma actual, las pegatinas podrían tener aplicaciones inmediatas: por ejemplo, los dispositivos podrían aplicarse a pacientes en el hospital, como pegatinas de ECG de monitorización cardíaca, y podrían generar imágenes de órganos internos de forma continua sin necesidad de un técnico. mantener un catéter en su lugar durante largos períodos de tiempo.
Si se puede hacer que los dispositivos funcionen de forma inalámbrica, un objetivo en el que el equipo está trabajando actualmente, las pegatinas de ultrasonido podrían convertirse en productos de imágenes portátiles que los pacientes podrían llevar a casa desde el consultorio de un médico o incluso comprar en una farmacia.
«Visualizamos algunos parches pegados en diferentes lugares del cuerpo, y los parches se comunicarían con su teléfono móvil, donde los algoritmos de IA analizarían las imágenes a pedido», dice el autor principal del estudio, Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica y civil y ingeniería ambiental en el MIT. «Creemos que hemos dado paso a una nueva era de imágenes portátiles: con algunos parches en su cuerpo, puede ver sus órganos internos».
El estudio también incluye a los autores principales Chonghe Wang y Xiaoyu Chen, y a los coautores Liu Wang, Mitsutoshi Makihata y Tao Zhao del MIT, así como a Hsiao-Chuan Liu de la Clínica Mayo en Rochester, Minnesota.
Una pregunta pegajosa
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, enviando ondas de sonido a través del cuerpo que hacen eco de las estructuras internas y regresan a la sonda, donde las señales devueltas se traducen en imágenes visuales.
Para los pacientes que requieren largos períodos de obtención de imágenes, algunos hospitales ofrecen sondas conectadas a brazos robóticos que pueden sostener un transductor en su lugar sin fatigarse, pero el gel de ultrasonido líquido se filtrará y se secará con el tiempo, interrumpiendo la obtención de imágenes a largo plazo.
En los últimos años, los investigadores han explorado diseños de sondas de ultrasonido expandibles que proporcionarían imágenes portátiles y discretas de los órganos internos. Estos diseños produjeron 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 produjeron imágenes de baja resolución, en parte debido a su estiramiento: al moverse con el cuerpo, los transductores se mueven entre sí, distorsionando la imagen resultante.
“Una herramienta portátil de imágenes por ultrasonido tendría un enorme potencial en el futuro del diagnóstico clínico. Sin embargo, la resolución y el tiempo de obtención de imágenes de los parches de ultrasonido existentes son relativamente bajos y no pueden obtener imágenes de órganos profundos”, dice el estudiante graduado del MIT Chonghe Wang.
Una mirada al interior
La nueva etiqueta ultrasónica del equipo del MIT produce imágenes de mayor resolución durante un período de tiempo más largo al combinar una capa adhesiva elástica con una matriz rígida de transductores. «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 dijo.
La capa adhesiva del dispositivo consta 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 de sonido. 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, becario postdoctoral en el MIT. «Solo cuando el hidrogel está altamente hidratado, las ondas acústicas pueden penetrar de manera efectiva y proporcionar 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 ultrasónica tiene unos 2 centímetros cuadrados de diámetro y 3 milímetros de grosor, aproximadamente el área de un sello postal.
Los investigadores sometieron la pegatina a ultrasonido a través de una batería de pruebas con voluntarios sanos, que llevaban las pegatinas en varias partes del cuerpo, 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 en el diámetro de los principales vasos sanguíneos cuando estaban sentados en comparación con cuando estaban de pie. Las pegatinas también capturaron detalles más profundos de los órganos, como la forma en que el corazón cambia de forma a medida que se mueve durante el ejercicio. Los investigadores también pudieron observar cómo el estómago se expandía y luego se retraía mientras los voluntarios bebían y luego expulsaban jugo de su sistema. Y mientras algunos voluntarios levantaban pesas, el equipo pudo detectar patrones de luz en los músculos subyacentes, lo que indica un microdaño temporal.
«Con las imágenes, podríamos capturar el momento de un entrenamiento antes del uso excesivo y detenerlo 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 está trabajando para que las pegatinas funcionen de forma inalámbrica. También están desarrollando algoritmos de software basados en IA que pueden interpretar y diagnosticar mejor las imágenes de las pegatinas. A continuación, Zhao prevé que los pacientes y consumidores puedan empaquetar y comprar adhesivos de ultrasonido, y utilizarlos no solo para monitorear varios órganos internos, sino también la progresión de los tumores, así como el desarrollo de los fetos en el útero.
“Imaginamos que podríamos tener una caja de calcomanías, cada una diseñada para representar una ubicación diferente en el cuerpo”, explica Zhao. «Creemos que esto representa un gran avance en dispositivos portátiles e imágenes médicas».
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.
