MIT-Ingenieure entwickeln Aufkleber, die in den Körper sehen können

by bernt & torsten

Die Ultraschallbildgebung ist ein sicheres und nicht-invasives Fenster in die Funktion des Körpers, das Ärzten lebendige Bilder der inneren Organe eines Patienten liefert. Um diese Bilder aufzunehmen, manipulieren ausgebildete Techniker Ultraschallstäbe und Sonden, um Schallwellen in den Körper zu leiten. Diese Wellen werden reflektiert, um hochauflösende Bilder des Herzens, der Lunge und anderer tiefer Organe eines Patienten zu erzeugen.

Die Ultraschalluntersuchung erfordert sperrige und spezialisierte Geräte, die nur in Krankenhäusern und Arztpraxen verfügbar sind. Aber ein neues Design von MIT-Ingenieuren könnte die Technologie so tragbar und zugänglich machen wie der Kauf von Pflastern in der Apotheke.

In einem Papier, das heute in Science erscheint, präsentieren die Ingenieure das Design für einen neuen Ultraschallaufkleber. Dieses stempelgroße Gerät haftet auf der Haut und kann 48 Stunden lang eine kontinuierliche Ultraschallbildgebung der inneren Organe ermöglichen.

Die Forscher brachten die Aufkleber an Freiwilligen an und zeigten, dass die Geräte lebendige, hochauflösende Bilder von großen Blutgefäßen und tieferen Organen wie Herz, Lunge und Magen lieferten. Die Aufkleber behielten eine starke Haftung bei und fingen Veränderungen in den darunter liegenden Organen ein, während Freiwillige verschiedene Aktivitäten ausführten, darunter Sitzen, Stehen, Joggen und Radfahren.

Das aktuelle Design erfordert, dass die Aufkleber mit Instrumenten verknüpft werden, die die reflektierten Schallwellen in Bilder übersetzen. Die Forscher weisen darauf hin, dass die Aufkleber auch in ihrer jetzigen Form sofort Anwendung finden können: So lassen sich die Geräte ähnlich wie Herzüberwachungs-EKG-Aufkleber bei Patienten in Krankenhäusern anbringen und können kontinuierlich innere Organe abbilden, ohne dass ein Techniker eine Sonde über lange Zeiträume an Ort und Stelle halten muss.

Wenn die Geräte drahtlos arbeiten können – ein Ziel, auf das das Team hinarbeitet – könnten die Ultraschallaufkleber zu tragbaren Bildgebungsprodukten verarbeitet werden, die Patienten aus einer Arztpraxis mit nach Hause nehmen oder sogar in einer Apotheke kaufen können.

Eine heikle Frage

Um mit Ultraschall zu fotografieren, trägt ein Techniker zuerst ein flüssiges Gel auf die Haut eines Patienten auf, das Ultraschallwellen überträgt. Eine Sonde oder ein Wandler wird dann gegen das Gel gedrückt und sendet Schallwellen in den Körper, die von inneren Strukturen und zurück zur Sonde hallen, wo die widerhallenden Signale in visuelle Bilder übersetzt werden.

Für Patienten, die lange Bildgebungszeiten benötigen, bieten einige Krankenhäuser Sonden an, die an Roboterarmen befestigt sind und einen Wandler an Ort und Stelle halten können, ohne zu ermüden, aber das flüssige Ultraschallgel schwimmt weg und trocknet im Laufe der Zeit aus, wodurch die Langzeitbildgebung unterbrochen wird.

In den letzten Jahren haben Forscher Designs für dehnbare Ultraschallsonden erforscht, die eine tragbare, flache Bildgebung der inneren Organe ermöglichen würden. Diese Designs lieferten einen flexiblen Satz kleiner Ultraschallwandler, wobei die Idee war, dass sich ein solches Gerät dehnen und an den Körper eines Patienten anpassen würde.

Aber diese experimentellen Designs haben Bilder mit niedriger Auflösung erzeugt, zum Teil wegen ihrer Dehnung: Wenn sie sich mit dem Körper bewegen, verschieben die Konverter ihre Position relativ zueinander und verzerren das resultierende Bild.

Ein Einblick

Der neue Ultraschallaufkleber des MIT-Teams erzeugt Bilder mit höherer Auflösung für eine längere Dauer, indem er eine dehnbare Klebeschicht mit einem starren Satz von Wandlern paart.

Die Klebeschicht des Geräts besteht aus zwei dünnen Elastomerschichten, die eine Zwischenschicht aus festem Hydrogel einkapseln, einem meist wasserbasierten Material, das Schallwellen leicht überträgt. Das Hydrogel des MIT-Teams ist im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschallgelen elastisch und dehnbar.

Die untere Elastomerschicht ist so konzipiert, dass sie sich an der Haut festsetzt, während die oberste Schicht an einem starren Satz von Wandlern befestigt wird, die das Team ebenfalls entworfen und hergestellt hat. Der gesamte Ultraschallaufkleber misst etwa 2 Quadratzentimeter im Durchmesser und 3 Millimeter Dicke – etwa die gleiche Oberfläche wie eine Briefmarke.

Die Forscher führten den Ultraschallaufkleber durch eine Reihe von Tests mit gesunden Freiwilligen, die die Aufkleber an verschiedenen Teilen ihres Körpers trugen, einschließlich Hals, Brust, Bauch und Armen. Die Aufkleber blieben auf der Haut befestigt und lieferten bis zu 48 Stunden lang klare Bilder der darunter liegenden Strukturen. Während dieser Zeit führten Freiwillige verschiedene Aktivitäten im Labor durch, vom Sitzen und Stehen bis hin zum Joggen, Radfahren und Gewichtheben.

Aus den Bildern des Aufklebers konnte das Team den sich ändernden Durchmesser großer Blutgefäße beobachten, während sie saßen und standen. Die Aufkleber erfassten auch Details über tiefere Organe, wie zum Beispiel, wie das Herz seine Form ändert, wenn es während des Trainings trainiert. Die Forscher sahen auch, wie sich der Magen dehnte und dann zurückschrumpfte, als Freiwillige tranken und später Saft aus ihrem System schickten. Und als einige Freiwillige Gewichte hoben, war das Team in der Lage, helle Muster in den darunter liegenden Muskeln zu erkennen, die eine vorübergehende Mikroverletzung signalisierten.

Das Team arbeitet daran, die Aufkleber drahtlos zum Laufen zu bringen. Sie entwickeln auch Softwarealgorithmen, die auf künstlicher Intelligenz basieren, um Stickerbilder besser zu interpretieren und zu diagnostizieren.

Diese Forschung wurde zum Teil vom MIT, der Defense Advanced Research Projects Agency, der National Science Foundation, den National Institutes of Health und den USA finanziert. Army Research Office durch das Institute for Soldier Nanotechnologies am MIT.