Des ingénieurs du MIT développent des autocollants à ultrasons qui peuvent voir à l’intérieur du corps

Les ingénieurs du MIT ont conçu un patch adhésif qui produit des images échographiques du corps. L’appareil de la taille d’un tampon adhère à la peau et peut fournir une imagerie échographique continue des organes internes pendant 48 heures. Crédit : Felice Frankel

De nouveaux adhésifs à ultrasons de la taille d’un tampon fournissent des images claires du cœur, des poumons et d’autres organes internes.

Lorsque les cliniciens ont besoin d’images en direct des organes internes d’un patient, ils se tournent souvent vers l’imagerie par ultrasons pour une fenêtre sûre et non invasive sur le fonctionnement du corps. Afin de capturer ces images perspicaces, des techniciens qualifiés manipulent des baguettes et des sondes à ultrasons pour diriger les ondes sonores dans le corps. Ces ondes se réfléchissent et sont 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 des équipements volumineux et spécialisés disponibles uniquement dans les hôpitaux et les cabinets médicaux. Cependant, un nouveau design développé par

MIT
MIT est l’acronyme de Massachusetts Institute of Technology. C’est une prestigieuse université de recherche privée à Cambridge, Massachusetts qui a été fondée en 1861. Elle est organisée en cinq écoles : architecture et planification ; ingénierie; sciences humaines, arts et sciences sociales; la gestion; et les sciences. L’impact du MIT comprend de nombreuses percées scientifiques et avancées technologiques. Leur objectif déclaré est de créer un monde meilleur grâce à l’éducation, à la recherche et à l’innovation.

” 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.

Une question collante

Pour imager par ultrasons, un technicien applique d’abord un gel liquide sur la peau d’un patient, qui agit pour transmettre des ondes ultrasonores. Une sonde, ou transducteur, est ensuite pressée contre le gel, envoyant des ondes sonores dans le corps qui font écho aux structures internes et reviennent à la sonde, où les signaux renvoyés sont traduits en images visuelles.

Pour les patients qui nécessitent de longues périodes d’imagerie, certains hôpitaux proposent des sondes fixées à des bras robotiques qui peuvent maintenir un transducteur en place sans se fatiguer, mais le gel liquide à ultrasons s’écoule et se dessèche avec le temps, interrompant l’imagerie à long terme.

Ces dernières années, les scientifiques ont exploré des conceptions de sondes à ultrasons extensibles qui fourniraient une imagerie portable et discrète des organes internes. Ces conceptions ont donné un réseau flexible de minuscules transducteurs à ultrasons, l’idée étant qu’un tel dispositif s’étirerait et se conformerait au corps d’un patient.

Mais ces conceptions expérimentales ont produit des images à faible résolution, en partie à cause de leur étirement : en se déplaçant avec le corps, les transducteurs se déplacent les uns par rapport aux autres, déformant l’image résultante.

« Un 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, qui est étudiant diplômé du MIT.

Un regard intérieur

En associant une couche adhésive extensible à un réseau rigide de transducteurs, le nouvel autocollant à ultrasons de l’équipe du MIT produit des images à plus haute résolution sur une plus longue durée. “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 qui encapsulent 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 donner une imagerie haute résolution des organes internes.”

La couche inférieure en élastomère est conçue pour coller 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’autocollant à ultrasons mesure environ 2 centimètres carrés de diamètre et 3 millimètres d’épaisseur, soit environ la surface d’un timbre-poste.

Les chercheurs ont soumis l’autocollant à ultrasons à une batterie de tests avec des volontaires en bonne santé, 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 leur 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, au vélo et à la levée de poids.

À partir des images des autocollants, l’équipe a pu observer le changement de diamètre des principaux vaisseaux sanguins en position assise par rapport à la position debout. Les autocollants ont également capturé des détails d’organes plus profonds, tels que la façon dont le cœur change de forme au fur et à mesure qu’il s’exerce pendant l’exercice. Les chercheurs ont également pu observer l’estomac se dilater, puis se rétracter lorsque les volontaires ont bu puis ont ensuite évacué du jus de leur système. Et alors que certains volontaires soulevaient des poids, l’équipe pouvait détecter des motifs lumineux dans les muscles sous-jacents, signalant des microdommages temporaires.

“Avec l’imagerie, nous pourrions être en mesure de capturer le moment d’une séance d’entraînement avant la surutilisation et de 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 pour que les autocollants fonctionnent sans fil. Ils développent également des algorithmes logiciels basés sur l’intelligence artificielle qui peuvent mieux interpréter et diagnostiquer les images des autocollants. Ensuite, Zhao envisage 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 imaginons que nous pourrions avoir une boîte d’autocollants, chacun conçu pour représenter un endroit différent du 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, La science.
DOI : 10.1126/science.abo2542

Cette recherche a été financée, en partie, par le MIT, la Defense Advanced Research Projects Agency, la National Science Foundation, les National Institutes of Health et le US Army Research Office par l’intermédiaire de l’Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT.



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