MITのエンジニアが体内が見えるステッカーを開発

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超音波画像診断は、身体の仕組みを知るための安全かつ非侵襲的な手段であり、臨床医に患者の内臓のライブ画像を提供します。これらの画像を取得するには、訓練を受けた技術者が超音波棒とプローブを操作して音波を体内に送り込みます。これらの波が反射して、患者の心臓、肺、その他の深部臓器の高解像度画像が生成されます。

現在、超音波画像処理には、病院や診療所でのみ利用できる大型の特殊な機器が必要です。しかし、MITのエンジニアによる新しい設計により、この技術は薬局でバンドエイドを購入するのと同じくらいウェアラブルでアクセスしやすいものになる可能性があります。

本日サイエンス誌に掲載された論文の中で、エンジニアらは新しい超音波ステッカーのデザインを発表している。このステッカーは、皮膚に貼り付けて内臓の超音波画像を 48 時間継続的に提供できるスタンプサイズの装置である。

研究者らはボランティアにステッカーを貼り、主要な血管や心臓、肺、胃などの深部臓器の高解像度のライブ画像を生成する装置を見せた。ステッカーは強力な粘着力を維持し、ボランティアが座る、立つ、ジョギング、サイクリングなどのさまざまな活動を行ったときの基礎臓器の変化を捉えました。

現在の設計では、反射した音波を画像に変換する機器にステッカーを接続する必要があります。研究者らは、このステッカーは現在の形であってもすぐに応用できる可能性があると指摘している。たとえば、この装置は心臓を監視する心電図ステッカーと同様に、病院内の患者に貼り付けることができ、技術者を必要とせずに内臓の画像を継続的に撮影できる可能性がある。プローブを長期間所定の位置に保持します。

チームが現在取り組んでいる目標であるワイヤレスでデバイスを動作させることができれば、超音波ステッカーは、患者が診療所から持ち帰ったり、薬局で購入したりできるウェアラブル画像製品になる可能性がある。

「私たちは、体のさまざまな場所にいくつかのパッチを貼り付け、パッチが携帯電話と通信し、AIアルゴリズムがオンデマンドで画像を分析することを想定しています」と、この研究の主著者である機械工学および土木工学の教授、Xuanhe Zhao氏は述べています。 MITで環境工学を専攻。「私たちは、ウェアラブルイメージングの新時代を切り開いたと信じています。体にいくつかのパッチを貼るだけで、内臓を見ることができるのです。」

この研究には、筆頭著者のChonghe Wang氏とXiaoyu Chen氏、共著者のMITのLiu Wang氏、牧畑光敏氏、Tao Zhao氏、ミネソタ州ロチェスターのメイヨークリニックのHsiao-Chuan Liu氏も含まれている。

厄介な問題

超音波で画像を撮影するには、技師はまず、超音波を送信するように作用する液体ジェルを患者の皮膚に塗布します。次に、プローブまたはトランスデューサーがゲルに押し付けられ、体内に音波が送信され、その音波が内部構造からエコーしてプローブに戻り、そこでエコーされた信号が視覚画像に変換されます。

長時間のイメージングが必要な患者のために、一部の病院では、疲れることなくトランスデューサーを所定の位置に保持できるロボットアームに取り付けられたプローブを提供していますが、液体の超音波ジェルが時間の経過とともに流れ出て乾燥し、長期のイメージングが中断されます。

近年、研究者らは、内臓のポータブルで薄型のイメージングを提供する伸縮可能な超音波プローブの設計を検討してきました。これらの設計により、小型の超音波トランスデューサーが柔軟に配列され、そのようなデバイスが伸びて患者の体に適合するというアイデアが得られました。

しかし、これらの実験的設計では、部分的に伸縮性が原因で低解像度の画像が生成されます。身体とともに移動すると、トランスデューサーの位置が相互に移動し、結果として得られる画像が歪みます。

「ウェアラブル超音波画像ツールは、将来の臨床診断に大きな可能性を秘めています。しかし、既存の超音波パッチの解像度と画像持続時間は比較的低く、深部臓器を画像化することはできません」と、MIT 大学院生である Chonghe Wang 氏は言います。

内部の様子

MIT チームの新しい超音波ステッカーは、伸縮性のある粘着層と剛性の高いトランスデューサーのアレイを組み合わせることで、より長時間にわたって高解像度の画像を生成します。「この組み合わせにより、トランスデューサーの相対位置を維持しながらデバイスを皮膚に適合させ、より鮮明で正確な画像を生成することができます。」王氏は言う。

デバイスの接着層は、音波を容易に伝達する主に水ベースの材料である固体ヒドロゲルの中間層をカプセル化する 2 つのエラストマーの薄い層で作られています。従来の超音波ゲルとは異なり、MIT チームのハイドロゲルは弾力性があり、伸縮性があります。

「エラストマーはヒドロゲルの脱水を防ぎます」とMIT博士研究員のChenは言います。「ヒドロゲルが高度に水和されている場合にのみ、音波が効果的に透過し、内臓の高解像度画像を得ることができます。」

下部のエラストマー層は皮膚に密着するように設計されており、上部の層はチームが設計、製造した堅固なトランスデューサーのアレイに密着します。超音波ステッカー全体のサイズは幅約 2 平方センチメートル、厚さ 3 ミリメートルで、切手の面積とほぼ同じです。

研究者らは、首、胸、腹部、腕など体のさまざまな部分にステッカーを貼った健康なボランティアを対象に、超音波ステッカーを使った一連のテストを実施した。ステッカーは皮膚に貼り付けられたままで、最大 48 時間、下にある構造の鮮明な画像を生成しました。この間、ボランティアたちは研究室で、座ったり立ったりすることから、ジョギング、サイクリング、ウェイトリフティングまで、さまざまな活動を行った。

研究チームは、ステッカーの画像から、座ったときと立っているときの主要な血管の直径の変化を観察することができました。ステッカーには、運動中に心臓がどのように変形するかなど、より深い器官の詳細も記録されています。研究者らはまた、ボランティアがジュースを飲み、その後体外へ排出するにつれて胃が膨張し、その後収縮する様子を観察することもできた。また、一部のボランティアがウェイトリフティングを行ったところ、チームは基礎的な筋肉に一時的な微小損傷を示す明るいパターンを検出することができました。

「画像処理を使えば、ワークアウトの使いすぎの瞬間を捉え、筋肉痛になる前に中止できるかもしれません」とチェン氏は言う。「その瞬間がいつになるかはまだわかりませんが、専門家が解釈できる画像データを提供できるようになりました。」

チームはステッカーをワイヤレスで機能させることに取り組んでいます。また、ステッカーの画像をより適切に解釈して診断できる、人工知能に基づくソフトウェアアルゴリズムも開発中です。そして、Zhao 氏は、超音波ステッカーをパッケージ化して患者や消費者が購入し、さまざまな内臓だけでなく、腫瘍の進行や子宮内での胎児の発育も監視するために使用できると構想しています。

「私たちは、それぞれが体の異なる位置をイメージするようにデザインされたステッカーの箱を用意できると想像しています」と、Zhao 氏は言います。「私たちはこれがウェアラブルデバイスと医療画像における画期的な進歩であると信じています。」

この研究は、マサチューセッツ工科大学、国防高等研究計画局、国立科学財団、国立衛生研究所、およびマサチューセッツ工科大学兵士ナノテクノロジー研究所を通じて米国陸軍研究局から一部資金提供を受けました。

Xuanhe Zhao教授の研究グループの研究者らが開発した切手サイズの再利用可能な超音波ステッカーが、TIME誌の2022年の最高の発明の1つに選ばれた。「歪んだ画像を生成することがある伸縮性のある既存の超音波ウェアラブルとは異なり、新しいデバイスの硬いトランスデューサーアレイは、2日間にわたって深部内臓（心臓、肺など）の高解像度ビデオを記録できます」とアリソン・ヴァン・ハウテンは書いている。

MITの研究者は、身体の内部の仕組みを最長48時間継続的に画像化できる粘着性超音波パッチを開発した、とスミソニアン誌のサラ・クタ氏が報告している。「私たちは、ウェアラブルイメージングの新時代を切り開いたと信じています。体にいくつかのパッチを貼るだけで、内臓を見ることができます。」と Xuanhe Zhao 教授は言います。

STAT レポーターのエドワード・チェンは、MIT の研究者が最長 48 時間皮膚に貼り付き、内臓の継続的なモニタリングを可能にする新しい超音波接着剤をどのように開発したかにスポットライトを当てます。「これは、複数の臓器や器官系を評価するために超音波画像を継続的に使用する方法についての、非常に印象的な新境地です」と、スクリップス研究所トランスレーショナル研究所の創設者で所長のエリック・トポル氏は述べた。「48時間連続撮影するには、誰かを病院に閉じ込め、トランスデューサーを装着する必要があります。その点で、これは驚くべきことです。」

MITの技術者らは、患者の皮膚に貼り付けて最大2日間内臓の高解像度ビデオを記録できる生体接着性超音波装置を開発したと、Scientific Americanのソフィー・ブッシュウィック氏が報じている。「これの利点は、この超音波プローブとこの薄い超音波スピーカーを 48 時間かけて体に突然貼り付けることができることです」と Zhao 氏は言います。「これにより、長期にわたる連続イメージングが可能になり、医療イメージングのパラダイムが変わる可能性があり、ウェアラブルデバイスの分野のパラダイムも変わる可能性があります。」

MITのエンジニアは、切手サイズのパッチを使用する医療用超音波システムを開発した、とボストン・グローブ紙のハイアワサ・ブレイが報じた。「新しい MIT システムにより、医師や技師はスキャン対象領域に直接パッチを貼り付けることが可能になります」とブレイ氏は説明します。「このパッチは、超音波信号を捕捉して表示可能な画像に変換し、将来の参照のために記録するデバイスに接続されます。」

Xuanhe Zhao教授と彼の研究チームは、日常生活を送りながら体内をスキャンできる貼り付け式超音波パッチを開発したとガーディアン紙のIan Sampleが報じている。「切手サイズのウェアラブルパッチは、血管、消化器系、内臓の画像を最長48時間撮影できるため、医師は定期的なスキャンで得られるスナップショットよりも患者の健康状態をより詳細に把握できるようになる。」サンプルが説明します。

Xuanhe Zhao教授率いるMITの研究者らは、着用可能な超音波医療機器を開発したと、New Scientist誌のJeremy Hsuが報告している。「超音波ステッカーは、人間の技術者が超音波プローブを保持する必要がなく、病院が患者を監視するためのより柔軟な画像化オプションを提供する可能性があり、技術者が不足している状況で役立つ可能性があります」とスー氏は書いています。

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