تصویربرداری اولتراسوند (فراصوت) پنجره ای امن و غیرتهاجمی به عملکرد بدن است. این کار تصاویر زنده از اندام های داخلی بیمار را در اختیار پزشکان قرار می دهد. برای 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 منعکس میشوند تا تصاویری با وضوح بالا از قلب، ریهها و سایر اندامهای عمیق بیمار تولید کنند. در مقالهای که در Science منتشر شد، مهندسان طرحی را برای استیکر های فراصوت جدید ارائه کردند. دستگاهی به اندازه تمبر که به پوست میچسبد و میتواند تصویربرداری سونوگرافی مداوم از اندامهای داخلی را به مدت ۴۸ ساعت ارائه دهد.
در حال حاضر، تصویربرداری اولتراسوند نیاز به تجهیزات حجیم و تخصصی دارد که فقط در بیمارستانها و مطبهای پزشک موجود است. اما یک طراحی جدید توسط مهندسان MIT ممکن است این فناوری را به اندازه خرید چسب زخم در داروخانه قابل پوشیدن و در دسترس قرار دهد.
محققان این برچسب ها را روی داوطلبان گذاشتند و نشان دادند که دستگاه ها تصاویر زنده و با وضوح بالا از رگ های خونی اصلی و اندام های عمیق تر مانند قلب، ریه ها و معده تولید می کنند. این استیکرها چسبندگی قوی داشتند و تغییراتی را در اندام های زیرین به ثبت رساندند. زیرا داوطلبان فعالیت های مختلفی از جمله نشستن، ایستادن، آهسته دویدن و دوچرخه سواری را انجام می دادند.
ایده جدید
طراحی فعلی مستلزم اتصال برچسب ها به ابزارهایی است که امواج صوتی منعکس شده را به تصاویر تبدیل می کنند. محققان می گویند این برچسبها حتی در شکل فعلیشان، میتوانند کاربردهای فوری داشته باشند. به عنوان مثال، این دستگاهها میتوانند مانند برچسبهای EKG مانیتورینگ قلب روی بیماران در بیمارستان اعمال شوند. حتی می تواند به طور مداوم از اندام های داخلی تصویربرداری کند، بدون اینکه نیازی به تکنسین برای نگه داشتن کاوشگر برای مدت زمان طولانی باشد.
تیم تحقیق در حال حاضر برای ساختن نمونه بی سیم این محصول تلاش می کند. در صورت موفقیت می توان استیکر های فراصوت را به محصولات تصویربرداری پوشیدنی تبدیل کرد که بیماران میتوانند از مطب پزشک به خانه ببرند یا حتی از داروخانه بخرند.
نویسنده ارشد این مطالعه، ژوانه ژائو گفت: “ما چند وصله را در نظر میگیریم که به مکانهای مختلف روی بدنه چسبیده باشند و این وصلهها با تلفن همراه شما ارتباط برقرار میکنند. جایی که الگوریتمهای هوش مصنوعی تصاویر را در صورت درخواست تجزیه و تحلیل میکنند. ما معتقدیم که دوران جدیدی از تصویربرداری پوشیدنی را باز کردهایم: با چند نقطه روی بدن، میتوانید اندامهای داخلی خود را ببینید.”
یک مسئله مهم
برای تصویربرداری با اولتراسوند، یک تکنسین ابتدا یک ژل مایع را روی پوست بیمار پخش می کند که برای انتقال امواج اولتراسوند عمل می کند. سپس یک کاوشگر یا مبدل بر روی ژل فشار داده میشود و امواج صوتی را به بدن ارسال میکند. امواج ساختارهای داخلی را 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 کاوشگرهایی را ارائه میکنند که به بازوهای روباتیک چسبانده شدهاند که میتوانند یک مبدل را بدون خستگی در جای خود نگه دارند. اما ژل اولتراسوند مایع با گذشت زمان از بین میرود و خشک میشود و تصویربرداری طولانیمدت را قطع میکند.
در سالهای اخیر، محققان طرحهایی را برای کاوشگرهای اولتراسوند قابل کشش بررسی کردهاند که میتواند تصویربرداری قابل حمل و کمحجم از اندامهای داخلی را ارائه دهد. این طرحها مجموعهای انعطافپذیر از مبدلهای اولتراسوند کوچک را ارائه میکردند. ایده این بود که چنین دستگاهی کشیده میشود و با بدن بیمار مطابقت دارد. اما این طرحهای آزمایشی، تا حدی به دلیل کش آمدن، تصاویری با وضوح پایین تولید کردهاند. در حرکت با بدن، مبدلها مکان را نسبت به یکدیگر تغییر میدهند و تصویر حاصل را مخدوش میکنند.
چونگه وانگ، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT می گوید: “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
استیکر های فراصوت جدید تیم MIT با جفت کردن یک لایه چسبنده کشسان با مجموعه ای سفت و سخت از مبدل ها، تصاویری با وضوح بالاتر در مدت زمان طولانی تری تولید می کند.
وانگ می گوید: “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 که لایه میانی هیدروژل جامد را در خود جای داده است. ماده ای عمدتاً بر پایه آب که امواج صوتی را به راحتی منتقل می کند. بر خلاف ژل های سونوگرافی سنتی، هیدروژل تیم MIT الاستیک و کشسان است. 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 الاستومری پایین به گونه ای طراحی شده که به پوست بچسبد. در حالی که لایه بالایی به مجموعه ای سفت و سخت از مبدل ها می چسبد که این تیم نیز طراحی و ساخته شده است. کل برچسب اولتراسوند حدود ۲ سانتی متر مربع عرض و ۳ میلی متر ضخامت دارد. تقریباً مساحت یک تمبر پستی.
محققان استیکر های فراصوت را از طریق یک باتری آزمایشی با داوطلبان سالم انجام دادند که این برچسبها را روی قسمتهای مختلف بدن خود از جمله گردن، سینه، شکم و بازوها میبستند. برچسب ها به پوست خود چسبیده بودند و تا ۴۸ ساعت تصاویر واضحی از ساختارهای زیرین ایجاد می کردند. در این مدت، داوطلبان فعالیت های مختلفی را در آزمایشگاه انجام دادند، از نشستن و ایستادن گرفته تا دویدن، دوچرخه سواری و وزنه زدن.
عملرد استیکر های فراصوت
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، مانند نحوه تغییر شکل قلب در حین ورزش را به تصویر میکشید. محققان همچنین قادر به تماشای انبساط معده بودند. سپس با نوشیدن آب توسط داوطلبان کاهش یافت و سپس آب از سیستم خود خارج شد. در حالی که برخی از داوطلبان وزنهها را بلند میکردند، تیم میتوانست الگوهای روشن را در عضلات زیرین تشخیص دهد که نشاندهنده آسیبهای کوچک موقتی است.
محققان می گویند: “با تصویربرداری، ممکن است بتوانیم لحظهای را در تمرین قبل از استفاده بیش از حد ثبت کنیم و قبل از اینکه ماهیچهها دردناک شوند متوقف شویم. ما هنوز نمی دانیم که آن لحظه ممکن است چه زمانی باشد. اما اکنون می توانیم داده های تصویری را ارائه کنیم که کارشناسان بتوانند تفسیر کنند.”
این تیم در تلاش است تا استیکرها را به صورت بی سیم کار کنند. آنها همچنین در حال توسعه الگوریتم های نرم افزاری مبتنی بر هوش مصنوعی هستند که می تواند تصاویر برچسب ها را بهتر تفسیر و تشخیص دهد. سپس برچسبهای اولتراسوند میتوانند توسط بیماران و مصرفکنندگان بستهبندی و خریداری شوند و نه تنها برای نظارت بر اندامهای داخلی مختلف، بلکه همچنین پیشرفت تومورها و همچنین رشد جنین در رحم استفاده شوند.
تیم تحقیق توضیح می دهد: “ما میتوانیم یک جعبه برچسب داشته باشیم که هر کدام برای تصویر مکان متفاوتی از بدن طراحی شدهاند. ما معتقدیم که این نشان دهنده یک پیشرفت در دستگاه های پوشیدنی و تصویربرداری پزشکی است.”