Les ingénieurs du MIT ont conçu un patch adhésif qui produit des images échographiques du corps. Le dispositif de la taille d’un tampon se fixe sur la peau et peut fournir des images échographiques continues des organes internes pendant 48 heures. Crédit : Felice Frankel
De nouveaux autocollants à ultrasons de la taille d’un tampon fournissent des images claires du cœur, des poumons et d’autres organes internes.
Lorsque les médecins ont besoin d’images en direct des organes internes d’un patient, ils se tournent souvent vers l’imagerie par ultrasons pour obtenir une fenêtre sûre et non invasive sur le fonctionnement du corps. Pour capturer ces images perspicaces, des techniciens formés manipulent des baguettes et des sondes à ultrasons pour diriger les ondes sonores dans le corps. Ces ondes sont réfléchies et utilisées pour produire des images haute résolution du cœur, des poumons et d’autres organes profonds d’un patient.
L’imagerie par ultrasons nécessite actuellement un équipement volumineux et spécialisé disponible uniquement dans les hôpitaux et les cabinets médicaux. Cependant, un nouveau design développé par
” data-gt-translate-attributes=”[{” 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.
un problème collant
Pour générer des images ultrasonores, un technicien applique d’abord un gel liquide sur la peau du patient, qui agit pour transmettre les ondes ultrasonores. Une sonde, ou transducteur, est ensuite pressée contre le gel, qui envoie des ondes sonores dans le corps qui font écho aux structures internes et reviennent à la sonde, où les signaux d’écho sont traduits en images visuelles.
Para los pacientes que requieren largos períodos de obtención de imágenes, algunos hospitales ofrecen sondas adheridas a brazos robóticos que pueden sostener un transductor en su lugar sin cansarse, pero el gel de ultrasonido líquido fluye y se seca con el tiempo, interrumpiendo la obtención de imágenes à long terme.
Ces dernières années, les scientifiques ont exploré des conceptions de sondes à ultrasons extensibles qui fourniraient une imagerie portable à profil bas des organes internes. Ces conceptions ont produit un réseau flexible de minuscules transducteurs à ultrasons, avec l’idée qu’un tel dispositif s’étirerait et se conformerait au corps du patient.
Mais ces conceptions expérimentales ont produit des images à faible résolution, en partie à cause de leur étirement : lorsqu’ils se déplacent avec le corps, les transducteurs changent de position les uns par rapport aux autres, déformant l’image résultante.
« L’outil d’imagerie par ultrasons portable aurait un énorme potentiel dans l’avenir du diagnostic clinique. Cependant, la résolution et la durée d’imagerie des patchs échographiques existants sont relativement faibles et ils ne peuvent pas imager les organes profonds », explique Chonghe Wang, étudiant diplômé au MIT.
Un regard à l’intérieur
En combinant une couche adhésive élastique avec un réseau rigide de transducteurs, la nouvelle étiquette à ultrasons de l’équipe du MIT produit des images à plus haute résolution sur une plus longue période de temps. “Cette combinaison permet à l’appareil de se conformer à la peau tout en maintenant l’emplacement relatif des transducteurs pour générer des images plus claires et plus précises.” dit Wang.
La couche adhésive de l’appareil est constituée de deux fines couches d’élastomère encapsulant une couche intermédiaire d’hydrogel solide, un matériau principalement à base d’eau qui transmet facilement les ondes sonores. Contrairement aux gels à ultrasons traditionnels, l’hydrogel de l’équipe du MIT est élastique et extensible.
“L’élastomère empêche la déshydratation de l’hydrogel”, explique Chen, post-doctorant au MIT. “Ce n’est que lorsque l’hydrogel est hautement hydraté que les ondes acoustiques peuvent pénétrer efficacement et fournir des images haute résolution des organes internes.”
La couche élastomère inférieure est conçue pour adhérer à la peau, tandis que la couche supérieure adhère à un ensemble rigide de transducteurs que l’équipe a également conçus et fabriqués. L’ensemble de l’étiquette à ultrasons mesure environ 2 centimètres carrés de large et 3 millimètres d’épaisseur, soit à peu près la surface d’un timbre-poste.
Les chercheurs ont soumis l’étiquette à ultrasons à une série de tests avec des volontaires sains, qui portaient les autocollants sur diverses parties de leur corps, notamment le cou, la poitrine, l’abdomen et les bras. Les autocollants sont restés attachés à la peau et ont produit des images claires des structures sous-jacentes jusqu’à 48 heures. Pendant ce temps, les volontaires ont effectué une variété d’activités dans le laboratoire, allant de la position assise et debout au jogging, en passant par le vélo et l’haltérophilie.
À partir des images des autocollants, l’équipe a pu observer le changement de diamètre des principaux vaisseaux sanguins lorsqu’ils étaient assis ou debout. Les autocollants ont également capturé des détails d’organes plus profonds, tels que la façon dont le cœur change de forme lorsqu’il se fatigue pendant l’exercice. Les chercheurs ont également pu observer l’estomac se dilater puis se rétrécir pendant que les volontaires buvaient puis expulsaient le jus de leur système. Et tandis que certains volontaires soulevaient des poids, l’équipe a pu détecter des motifs lumineux dans les muscles sous-jacents, indiquant des microdommages temporaires.
“Grâce à l’imagerie, nous pourrions capturer le moment d’une séance d’entraînement avant la surutilisation et nous arrêter avant que les muscles ne deviennent douloureux”, explique Chen. “Nous ne savons pas encore quand ce moment pourrait être, mais maintenant nous pouvons fournir des données d’imagerie que les experts peuvent interpréter.”
L’équipe d’ingénierie travaille à faire fonctionner les autocollants sans fil. Ils développent également des algorithmes logiciels basés sur l’IA qui peuvent mieux interpréter et diagnostiquer les images d’autocollants. Zhao envisage ensuite que les autocollants à ultrasons puissent être emballés et achetés par les patients et les consommateurs, et utilisés non seulement pour surveiller divers organes internes, mais également la progression des tumeurs, ainsi que le développement des fœtus dans l’utérus.
“Nous avons imaginé que nous pourrions avoir une boîte d’autocollants, chacun conçu pour représenter un endroit différent sur le corps”, explique Zhao. “Nous pensons que cela représente une percée dans les appareils portables et l’imagerie médicale.”
Référence : “Échographie bioadhésive pour l’imagerie continue à long terme de divers organes” par Chonghe Wang, Xiaoyu Chen, Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, Hsiao-Chuan Liu, Tao Zhou et Xuanhe Zhao, 28 juillet 2022, les sciences.
DOI : 10.1126/science.abo2542
Cette recherche a été soutenue, en partie, par le MIT, la Defense Advanced Research Projects Agency, la National Science Foundation, les National Institutes of Health et le US Army Office of Research par l’intermédiaire de l’Institute of Nanotechnologies for Soldiers du MIT.