Os engenheiros do MIT projetaram um adesivo que produz imagens de ultrassom do corpo. O dispositivo do tamanho de um selo adere à pele e pode fornecer imagens de ultrassom contínuas de órgãos internos por 48 horas. Crédito: Felice Frankel
Novos adesivos de ultrassom do tamanho de selos fornecem imagens nítidas do coração, pulmões e outros órgãos internos.
Quando os médicos precisam de imagens ao vivo dos órgãos internos de um paciente, eles geralmente recorrem à imagem de ultrassom para uma janela segura e não invasiva do funcionamento do corpo. Para capturar essas imagens perspicazes, técnicos treinados manipulam varinhas e sondas de ultrassom para direcionar as ondas sonoras para o corpo. Essas ondas refletem de volta e são usadas para produzir imagens de alta resolução do coração, pulmões e outros órgãos profundos de um paciente.
A imagem de ultra-som atualmente requer equipamentos volumosos e especializados disponíveis apenas em hospitais e consultórios médicos. No entanto, um novo design desenvolvido por[{” attribute=””>MIT engineers might make the technology as wearable and accessible as buying Band-Aids at the drugstore.
The engineers presented the design for the new ultrasound sticker in a paper published on July 28 in the journal Science. The stamp-sized device sticks to skin and can provide continuous ultrasound imaging of internal organs for 48 hours.
To demonstrate the invention, the researchers applied the stickers to volunteers. They showed the devices produced live, high-resolution images of major blood vessels and deeper organs such as the heart, lungs, and stomach. As the volunteers performed various activities, including sitting, standing, jogging, and biking, the stickers maintained a strong adhesion and continued to capture changes in underlying organs.
In the current design, the stickers must be connected to instruments that translate the reflected sound waves into images. According to the researchers, the stickers could have immediate applications even in their current form. For example, the devices could be applied to patients in the hospital, similar to heart-monitoring EKG stickers, and could continuously image internal organs without requiring a technician to hold a probe in place for long periods of time.
Making the devices work wirelessly is a goal the team is currently working toward. If they are successful, the ultrasound stickers could be made into wearable imaging products that patients could take home from a doctor’s office or even buy at a pharmacy.
“We envision a few patches adhered to different locations on the body, and the patches would communicate with your cellphone, where AI algorithms would analyze the images on demand,” says the study’s senior author, Xuanhe Zhao, professor of mechanical engineering and civil and environmental engineering at MIT. “We believe we’ve opened a new era of wearable imaging: With a few patches on your body, you could see your internal organs.”
The study also includes lead authors Chonghe Wang and Xiaoyu Chen, and co-authors Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, and Tao Zhao at MIT, along with Hsiao-Chuan Liu of the Mayo Clinic in Rochester, Minnesota.
Um problema pegajoso
Para fazer a imagem com ultrassom, um técnico primeiro aplica um gel líquido na pele do paciente, que atua para transmitir ondas de ultrassom. Uma sonda, ou transdutor, é então pressionada contra o gel, enviando ondas sonoras para o corpo que ecoam nas estruturas internas e voltam para a sonda, onde os sinais ecoados são traduzidos em imagens visuais.
Para pacientes que requerem longos períodos de imagem, alguns hospitais oferecem sondas afixadas em braços robóticos que podem manter um transdutor no lugar sem se cansar, mas o gel líquido de ultrassom flui e seca com o tempo, interrompendo a imagem de longo prazo.
Nos últimos anos, os cientistas exploraram projetos de sondas de ultrassom extensíveis que forneceriam imagens portáteis e de baixo perfil de órgãos internos. Esses projetos deram um conjunto flexível de minúsculos transdutores de ultrassom, com a ideia de que esse dispositivo se esticasse e se adaptasse ao corpo do paciente.
Mas esses projetos experimentais produziram imagens de baixa resolução, em parte devido ao seu alongamento: ao se mover com o corpo, os transdutores mudam de localização um em relação ao outro, distorcendo a imagem resultante.
“A ferramenta de imagem de ultrassom vestível teria um enorme potencial no futuro do diagnóstico clínico. No entanto, a resolução e a duração da imagem dos patches de ultrassom existentes são relativamente baixas e eles não podem visualizar órgãos profundos”, diz Chonghe Wang, estudante de pós-graduação do MIT.
Um olhar para dentro
Ao combinar uma camada adesiva elástica com uma matriz rígida de transdutores, o novo adesivo de ultrassom da equipe do MIT produz imagens de alta resolução por um período mais longo. “Esta combinação permite que o dispositivo se adapte à pele, mantendo a localização relativa dos transdutores para gerar imagens mais claras e precisas.” diz Wang.
A camada adesiva do dispositivo é feita de duas camadas finas de elastômero que encapsulam uma camada intermediária de hidrogel sólido, um material principalmente à base de água que transmite facilmente as ondas sonoras. Ao contrário dos géis de ultrassom tradicionais, o hidrogel da equipe do MIT é elástico e elástico.
“O elastômero evita a desidratação do hidrogel”, diz Chen, pós-doutorando do MIT. “Somente quando o hidrogel é altamente hidratado, as ondas acústicas podem penetrar efetivamente e fornecer imagens de alta resolução dos órgãos internos”.
A camada de elastômero inferior é projetada para aderir à pele, enquanto a camada superior adere a uma matriz rígida de transdutores que a equipe também projetou e fabricou. Todo o adesivo de ultrassom mede cerca de 2 centímetros quadrados de diâmetro e 3 milímetros de espessura – aproximadamente a área de um selo postal.
Os pesquisadores executaram o adesivo de ultrassom em uma bateria de testes com voluntários saudáveis, que usaram os adesivos em várias partes do corpo, incluindo pescoço, peito, abdômen e braços. Os adesivos permaneceram presos à pele e produziram imagens claras das estruturas subjacentes por até 48 horas. Durante esse período, os voluntários realizaram uma variedade de atividades no laboratório, desde sentar e ficar de pé, até correr, andar de bicicleta e levantar pesos.
A partir das imagens dos adesivos, a equipe foi capaz de observar a mudança no diâmetro dos principais vasos sanguíneos quando sentado versus em pé. Os adesivos também capturaram detalhes de órgãos mais profundos, como como o coração muda de forma à medida que se exercita durante o exercício. Os pesquisadores também foram capazes de observar o estômago se distender, depois encolher enquanto os voluntários bebiam e depois expeliam suco de seu sistema. E como alguns voluntários levantaram pesos, a equipe pôde detectar padrões brilhantes nos músculos subjacentes, sinalizando microdanos temporários.
“Com a imagem, podemos capturar o momento em um treino antes do uso excessivo e parar antes que os músculos fiquem doloridos”, diz Chen. “Ainda não sabemos quando esse momento pode ser, mas agora podemos fornecer dados de imagem que os especialistas podem interpretar.”
A equipe de engenharia está trabalhando para que os adesivos funcionem sem fio. Eles também estão desenvolvendo algoritmos de software baseados em inteligência artificial que podem interpretar e diagnosticar melhor as imagens dos adesivos. Então, Zhao prevê que adesivos de ultrassom possam ser embalados e comprados por pacientes e consumidores, e usados não apenas para monitorar vários órgãos internos, mas também a progressão de tumores, bem como o desenvolvimento de fetos no útero.
“Imaginamos que poderíamos ter uma caixa de adesivos, cada um projetado para retratar um local diferente do corpo”, diz Zhao. “Acreditamos que isso representa um avanço em dispositivos vestíveis e imagens médicas”.
Referência: “Bioadhesive ultra-som para imagem contínua de longo prazo de diversos órgãos” por Chonghe Wang, Xiaoyu Chen, Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, Hsiao-Chuan Liu, Tao Zhou e Xuanhe Zhao, 28 de julho de 2022, Ciência.
DOI: 10.1126/science.abo2542
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo MIT, a Defense Advanced Research Projects Agency, a National Science Foundation, os National Institutes of Health e o US Army Research Office através do Institute for Soldier Nanotechnologies do MIT.
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