深部臓器の硬さの変化を感知する超音波ステッカー | マサチューセッツ工科大学ニュース

MITのエンジニアは、体の深部の臓器の硬さを監視できる小さな超音波ステッカーを開発しました。 このステッカーは切手ほどの大きさで、皮膚に貼ることができ、肝不全や腎不全、固形腫瘍の進行などの病気の兆候を捉えるように設計されています。

で 今日公開されるオープンアクセス研究 で 科学の進歩研究チームは、センサーが皮膚を通って体内に音波を送り、そこで音波が内臓に反射してステッカーに戻る可能性があると報告している。 反射波のパターンは臓器の硬さの兆候として読み取ることができ、ステッカーはそれを測定して追跡できます。

「一部の臓器は病気になると、時間の経過とともに硬くなる可能性があります」と論文の主著者であるマサチューセッツ工科大学機械工学教授のXuanhe Zhao氏は言う。 「このウェアラブルステッカーを使用すると、長期間にわたる剛性の変化を継続的に監視できます。これは内臓不全の早期診断にとって非常に重要です。」

研究チームは、このステッカーが臓器の硬さを48時間にわたって継続的に監視し、病気の進行を知らせる可能性のある微妙な変化を検出できることを実証した。 研究者らは予備実験で、粘着センサーがラットの急性肝不全の初期兆候を検出できることを発見した。

エンジニアたちは、この設計を人間での使用に適応させるために取り組んでいます。 彼らは、このステッカーが集中治療室 (ICU) で使用され、薄型センサーが臓器移植から回復中の患者を継続的に監視できるようになると考えています。

「肝臓または腎臓の移植直後に、このステッカーを患者に貼り、臓器の硬さが数日間どのように変化するかを観察できるのではないかと考えています」と筆頭著者のシャオ・チュアン・リウ氏は言う。 「急性肝不全の早期診断があれば、医師は症状が重篤になるまで待つのではなく、すぐに行動を起こすことができます。」 リュー氏は研究当時、MITの客員研究員でしたが、現在は南カリフォルニア大学の助教授です。

この研究の共著者には、MIT の Xiaoyu Chen 氏と Chonghe Wang 氏、および USC の共同研究者が含まれています。

ぐらつきの検知

筋肉と同様に、私たちの体の組織や臓器は年齢とともに硬くなります。 特定の病気では、臓器の硬化がより顕著になり、健康状態が急激に悪化する可能性があることを示します。 臨床医は現在、超音波エラストグラフィーを使用して腎臓や肝臓などの臓器の硬さを測定する方法を持っています。超音波エラストグラフィーは、技術者が手持ち式のプローブまたはワンドを皮膚上で操作する、超音波イメージングに似た技術です。 探査機が体内に音波を送信すると、内臓がわずかに振動し、お返しとして音波が送信されます。 プローブは臓器に誘発された振動を感知し、その振動のパターンから臓器がどの程度ぐらつくか、あるいは硬くなるかを判断することができます。

超音波エラストグラフィーは通常、最近臓器移植を受けた患者をモニタリングするために ICU で使用されます。 技術者は、手術直後に患者を定期的にチェックして、新しい臓器を迅速に調べ、硬化や潜在的な急性不全または拒絶反応の兆候を探します。

「臓器移植後、ICU では最初の 72 時間が最も重要です」と、もう 1 人の上級著者である USC 教授の Qifa Zhou 氏は言います。 「従来の超音波検査では、プローブを体に当てる必要がありました。 しかし、これを長期にわたって継続的に行うことはできません。 医師は重大な瞬間を見逃して、臓器が機能不全に陥っていることに気づくのが手遅れになる可能性があります。」

チームは、より継続的でウェアラブルな代替手段を提供できるかもしれないことに気づきました。 彼らのソリューションは、 超音波ステッカー これらは以前、深部組織や臓器を画像化するために開発されました。

「私たちのイメージングステッカーは縦波を捉えましたが、今回は横波を捉えたかったので、器官の剛性がわかります」とZhao氏は説明します。

既存の超音波エラストグラフィー プローブは、せん断波、つまり音波インパルスに応答した臓器の振動を測定します。 せん断波が器官内を伝わる速度が速いほど、器官はより硬いと解釈されます。 (水風船の跳ね返りをサッカーボールと比較して考えてください。)

研究チームは超音波エラストグラフィーを切手サイズのステッカーに収まるように小型化することを検討しました。 また、市販のハンドヘルドプローブと同じ感度を維持することも目的としていました。市販のハンドヘルドプローブには、通常約 128 個の圧電トランスデューサが組み込まれており、それぞれの圧電トランスデューサが入ってくる電場を出ていく音波に変換します。

「高度な製造技術を使用して、高品質の圧電材料から小型のトランスデューサーを切り出しました。これにより、小型の超音波ステッカーを設計できるようになりました」と Zhou 氏は言います。

研究者らは、128 個の小型トランスデューサーを正確に製造し、25 ミリメートル四方のチップ上に組み込みました。 彼らは、チップの下側をヒドロゲルで作られた接着剤で裏打ちしました。ヒドロゲルは水とポリマーの混合物である粘着性と伸縮性のある素材であり、音波がほぼ損失なくデバイスに出入りできるようになります。

予備実験として、研究チームはラットで硬さを感知するステッカーをテストした。 彼らは、ステッカーが肝臓の硬さを 48 時間にわたって継続的に測定できることを発見しました。 研究者らは、ステッカーから収集したデータから、急性肝不全の明確な初期の兆候を観察し、後に組織サンプルでそれを確認しました。

「肝臓が機能不全に陥ると、臓器の硬さは何倍にも増加します」とリュー氏は指摘する。

「半熟卵のようにぐらつく健康な肝臓から、ゆで卵に近い病気の肝臓になる可能性があります」とZhao氏は付け加えた。 「そして、このステッカーは体の奥深くでそれらの違いを感知し、臓器不全が発生したときに警告を発することができます。」

チームは臨床医と協力して、このステッカーをICUで臓器移植から回復中の患者に使用できるように調整している。 そのシナリオでは、ステッカーは患者の皮膚に貼り付けることができ、送受信される音波はステッカーに接続された電子機器によって配信および収集できるため、ステッカーの現在のデザインに大きな変更はないと予想されています。診療所の電極や心電図装置に。

「このシステムの真の利点は、ウェアラブルになっているため、軽量で体にフィットし、長期にわたる継続的なモニタリングが可能になることです」と、ハーバード大学医学部准教授であり、ブリガム・アンド・大学の生物工学准教授でもあるシュライク・チャン氏は言う。女性病院はこの研究には関与していない。 「これにより、患者の苦しみが軽減され、病気の進行をほぼリアルタイムで長期間監視できるようになるだけでなく、訓練を受けた病院職員が他の重要な業務に従事できるようになる可能性があります。」

研究者らはまた、ステッカーをよりポータブルな自己封入バージョンに加工し、それに付随するすべての電子機器と処理がわずかに大きなパッチに収まるように小型化されることを望んでいます。 そして、このステッカーを患者が自宅で着用して、重症化すると硬くなることが知られている固形腫瘍の進行などの状態を長期間にわたって継続的に監視できるようにすることを彼らは構想している。

「私たちはこれが命を救う技術プラットフォームであると信じています」とZhao氏は言います。 「将来的には、人々が自分の体に数枚のステッカーを貼り付けることで、多くの生命信号を測定し、体内の主要な器官の健康状態を画像化して追跡できるようになると考えています。」

この研究は、国立衛生研究所によって部分的に支援されました。