Parche de ultrasonidos proporciona un control no invasivo de tejidos profundos del organismo

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El uso de ultrasonido para examinar las propiedades biomecánicas de los tejidos puede ayudar a detectar y manejar condiciones fisiopatológicas, rastrear la evolución de las lesiones y evaluar el progreso de la rehabilitación.

Un equipo de ingenieros de la Universidad de California en San Diego ha desarrollado una matriz ultrasónica estirable que facilita la obtención de imágenes tridimensionales, no invasivas y en serie de tejidos a una profundidad de hasta cuatro centímetros por debajo de la superficie de la piel humana, con una resolución espacial de 0,5 milímetros.

Este nuevo método proporciona una alternativa no invasiva a más largo plazo a los métodos actuales, con una profundidad de penetración mejorada.

La investigación surge del laboratorio de Sheng Xu, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor correspondiente del estudio.

“Inventamos un dispositivo portátil que puede evaluar con frecuencia la rigidez del tejido humano”, dijo Hongjie Hu, investigador postdoctoral en el grupo Xu y coautor del estudio.

“En particular, integramos una matriz de elementos de ultrasonido en una matriz de elastómero suave y usamos electrodos ondulados serpenteantes estirables para conectar estos elementos, lo que permitió que el dispositivo se adaptara a la piel humana para la evaluación en serie de la rigidez del tejido”.

El sistema de monitorización de elastografía puede proporcionar un mapeo en serie, no invasivo y tridimensional de las propiedades mecánicas de los tejidos profundos.

Esto tiene varias aplicaciones clave:

En la investigación médica, los datos en serie sobre tejidos patológicos pueden proporcionar información crucial sobre la progresión de enfermedades como el cáncer, que normalmente hace que las células se endurezcan.

La monitorización de músculos, tendones y ligamentos puede ayudar a diagnosticar y tratar lesiones deportivas.

Los tratamientos actuales para enfermedades del hígado y cardiovasculares, junto con algunos agentes de quimioterapia, pueden afectar la rigidez de los tejidos.

La elastografía continua podría ayudar a evaluar la eficacia y la administración de estos medicamentos. Esto podría ayudar a crear nuevos tratamientos.

Además de monitorear tejidos cancerosos, esta tecnología también se puede aplicar en otros escenarios:

Seguimiento de la fibrosis y cirrosis del hígado. Mediante el uso de esta tecnología para evaluar la gravedad de la fibrosis hepática, los profesionales médicos pueden realizar un seguimiento preciso de la progresión de la enfermedad y determinar el curso de tratamiento más adecuado.

Evaluar trastornos musculoesqueléticos como tendinitis, codo de tenista y síndrome del túnel carpiano. Al monitorear los cambios en la rigidez de los tejidos, esta tecnología puede proporcionar información valiosa sobre la progresión de estas afecciones, lo que permite a los médicos desarrollar planes de tratamiento individualizados para sus pacientes.

Diagnóstico y seguimiento de la isquemia miocárdica. Al monitorear la elasticidad de la pared arterial, los médicos pueden identificar los primeros signos de la afección y realizar intervenciones oportunas para evitar daños mayores.

El laboratorio tomó dispositivos que eran estacionarios y portátiles y los hizo estirables y portátiles, lo que impulsó una transformación en el panorama de la supervisión de la atención médica.

Los parches de ultrasonido portátiles cumplen la función de detección del ultrasonido tradicional y también superan las limitaciones de la tecnología de ultrasonido tradicional.

“Esto permite a los pacientes monitorear continuamente su estado de salud en cualquier momento y en cualquier lugar”, dijo Hu.

Esto podría ayudar a reducir los diagnósticos erróneos y las muertes, además de reducir significativamente los costos al proporcionar una alternativa no invasiva y de bajo costo a los procedimientos de diagnóstico tradicionales.

“Esta nueva ola de tecnología de ultrasonido portátil está impulsando una transformación en el campo de la supervisión de la atención médica, mejorando los resultados de los pacientes, reduciendo los costos de atención médica y promoviendo la adopción generalizada del diagnóstico en el punto de atención”, dijo Yuxiang Ma, estudiante visitante en el grupo Xu y coautor del estudio.

“A medida que esta tecnología continúe desarrollándose, es probable que veamos avances aún más significativos en el campo de la imagenología médica y el control de la atención médica”.

La matriz se adapta a la piel humana y se acopla acústicamente con ella, lo que permite obtener imágenes elastográficas precisas validadas con elastografía por resonancia magnética.

En las pruebas, el dispositivo se usó para mapear distribuciones tridimensionales del módulo de Young de tejidos ex vivo, para detectar daño microestructural en los músculos de voluntarios antes del inicio del dolor y monitorear el proceso de recuperación dinámica de lesiones musculares durante la fisioterapia.

“Elegimos 3 MHz como frecuencia central para el transductor de ultrasonido”, dijo Hu.

“Dado que cuanto mayor sea la frecuencia central, mayor será la resolución espacial, pero mayor será la atenuación de la onda de ultrasonido en los tejidos, 3 MHz satisface los requisitos tanto de alta resolución espacial como de excelente penetración en los tejidos”.

El dispositivo consta de una matriz de 16 por 16. Cada elemento está compuesto por un elemento compuesto 1-3 y una capa de respaldo hecha de un compuesto epoxi de plata diseñado para absorber la vibración excesiva, ampliar el ancho de banda y mejorar la resolución axial.

“Elegimos un paso, la distancia entre los centros de dos elementos adyacentes, de 800 μm, que es adecuado para producir imágenes de alta calidad, minimizando la interferencia de los elementos vecinos y dando a todo el dispositivo su buena capacidad de estiramiento“, dijo Xiaoxiang Gao, otro investigador postdoctoral en el grupo.

Especificaciones:

Dimensiones: aproximadamente 23 mm x 20 mm x 0,8 mm
Estiramiento biaxial: 40%.
Profundidad de penetración: mayor de 4 cm
Relación señal-ruido más alta: 28,4 dB
Resolución espacial: 0,5 mm
Resolución de contraste: 1,74 dB

Esta tecnología debe registrar el movimiento de las partículas que se dispersan en la muestra mediante ondas de ultrasonido y calcular sus campos de desplazamiento en función de un algoritmo de correlación cruzada normalizado.

El tamaño de las partículas dispersas es muy pequeño, lo que da como resultado señales reflejadas débiles. Para capturar señales tan débiles se requiere una tecnología sumamente sensible.

Los métodos de fabricación existentes involucran la unión a alta temperatura que puede causar daños térmicos graves e irreversibles al epoxi en los materiales piezoeléctricos. Como resultado, la sensibilidad del elemento transductor se degrada significativamente.

“Para abordar esos desafíos, desarrollamos un enfoque de unión a baja temperatura”, dijo Hu.

“Reemplazamos la soldadura en pasta con epoxi conductor, lo que permite que la unión se complete a temperatura ambiente sin dañar el elemento.

Además, reemplazamos el modo de transmisión de onda plana única con un modo compuesto de onda plana coherente, que proporciona más energía para aumentar la intensidad de la señal en toda la muestra.

Usando estas estrategias, mejoramos la sensibilidad del dispositivo para que funcione bien al capturar esas señales débiles de partículas dispersas”.

“Se puede instalar una capa de elastómero con un módulo conocido, la llamada capa de calibración, en nuestro dispositivo para obtener valores absolutos y cuantitativos de los módulos de los tejidos“, dijo Dawei Song, investigador postdoctoral en la Universidad de Pensilvania y coautor del estudio.

“Este enfoque nos permitiría obtener información más completa sobre las propiedades mecánicas de los tejidos, mejorando así aún más las capacidades de diagnóstico de los dispositivos ultrasónicos”.

Además, se pueden adoptar técnicas avanzadas de litografía, pick-and-place y corte en dados para optimizar aún más el diseño y la fabricación de la matriz, lo que puede reducir el tono y ampliar la apertura para lograr una resolución espacial más alta y una ventana sonográfica más amplia.

“Sería más fácil explorar oportunidades trabajando con médicos, buscando aplicaciones prácticas potenciales en clínicas”, dijo Gao.

“Nuestro dispositivo muestra un gran potencial en el monitoreo cercano de grupos de alto riesgo, lo que permite intervenciones oportunas en momentos urgentes”, dijo Gao.

El profesor Xu ahora comercializa esta tecnología a través de Softsonics LLC.

Fuente: UCSD