Ultrazvuk v náplasti – chytrý systém schopný monitorovat pacienta při běžných aktivitách

25. 4. 2024

Tým vědců z Kalifornské univerzity v San Diegu vyvinul miniaturní autonomní ultrazvukový systém, který je po přilepení na kůži schopen zobrazit tkáň umístěnou hluboko pod povrchem těla. Dal by se využít pro kontinuální monitorování krevního tlaku, srdeční činnosti a respiračních parametrů, a to v reálném čase, ať už při běžné aktivitě, či při intenzivní fyzické zátěži.

Ultrazvukové vyšetření vyžaduje vybavení a znalosti

Při zobrazování tkáně pomocí ultrazvuku se využívá odrazu vysokofrekvenčních zvukových vln od prostředí s různou hustotou. Ozvěny zachycené ultrazvukovou sondou se poté rekonstruují do obrazů. Ačkoliv je ultrazvukové vyšetření oproti jiným zobrazovacím technikám levnější a pro pacienta bezpečnější, vyžaduje poměrně objemné přístroje, a hlavně zručného technika či lékaře, který je obsluhuje. Ostrost získaného obrazu a spolehlivost výsledku závisí především na manipulaci se sondou. Klasické ultrazvukové vyšetření je tedy z podstaty věci manuální a nelze jej provádět kontinuálně během aktivity pacienta.

Na vývoji nositelného ultrazvukového systému pracuje několik výzkumných skupin. Jejich dosavadní úsilí vedlo ke vzniku různých systémů, které však vyžadovaly fyzické připojení k externímu zdroji energie a sběrači dat či jinému hardwaru.

Ultrazvuková náplast

Autoři z Kalifornské univerzity v San Diegu publikovali v časopisu Nature Biotechnology svou studii nového plně integrovaného ultrazvukového snímače srdeční činnosti (viz obr.). Systém se skládá z elastické ultrazvukové sondy tvořené 32kanálovou soustavou piezoelektrických měničů, které konvertují elektrické signály na zvukové vlny a naopak. Sonda je připojena k flexibilnímu řídicímu obvodu pomocí stočených elastických měděných drátků. Řídicí obvod kontroluje generování ultrazvukových pulzů a sbírání ozvěn, jež se poté zesilují a odesílají do mikrořadicí jednotky. Ta je převede na digitální signály, které se pomocí wi-fi odešlou do počítače nebo chytrého telefonu. Systém je napájen běžným lithium-polymerovým akumulátorem a vydrží až 12 hodin na jedno nabití. Snímač je schopen detekovat signály z tkání až 16 centimetrů pod povrchem těla.

   

Obr. Plně integrovaný bezdrátový ultrazvukový snímač pro kontinuální sledování pacienta: 
A) Fotografie zařízení aplikovaného na kůži pro ultrazvukové monitorování srdeční aktivity s parasternálním přístupem.
B) Schematický nákres technologie zařízení.
C) Zobrazení karotidy (CA) a hrdelní žíly (JV) v B módu při provádění Valsalvova manévru.

   

Vyhodnocení signálů

Pro analýzu dat z ultrazvukové náplasti tým vědců vyvinul algoritmus založený na strojovém učení. Tepová frekvence a krevní tlak nositele se počítají na základě pulzování krkavice a hrdelní žíly. Systém je dále schopen měřit kontrakci srdečního svalu pro odhad vypuzovaného krevního objemu a také monitorovat pohyby bránice pro výpočet respiračních parametrů. Pokud se náplast při aktivitě nositele pohne relativně ke snímané tkáni, systém je schopen v reálném čase vybrat kanály snímače s nejlepším signálem.

Přístroj byl zkoušen v reálných podmínkách aerobního i anaerobního tréninku. Při obou aktivitách byla ultrazvuková náplast schopna kontinuálně monitorovat pulzování karotidy a tím sledovat krevní tlak, tepovou frekvenci a srdeční činnost.

A jaké využití se rýsuje v praxi?

Ultrazvuk v náplasti nemá ambici nahradit konvenční ultrasonografii. Kvalita snímaného signálu, stejně jako hloubka průniku do tkáně jsou zatím omezené. Hlavní výhodou systému je možnost kontinuálního monitorování v reálném čase v průběhu každodenních aktivit, což může mít značnou klinickou hodnotu. Z pohledu rigorózní diagnostiky je důležitá např. odpověď pacienta na intenzivní fyzickou aktivitu. Průběžné sledování v delším časovém úseku umožňuje analyzovat dynamické změny kardiovaskulárního systému v odpovědi na stresory. Tyto poznatky by mohly být výhodné pro řadu jedinců – od sportovců optimalizujících svůj tréninkový plán přes pacienty rehabilitující po kardiologických zákrocích až po vysoce rizikové skupiny osob, u nichž je třeba lépe stratifikovat a predikovat kardiovaskulární riziko.

(este)

Zdroje:
1. Lin M., Zhang Z., Gao X. et al. A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects. Nat Biotechnol 2024 Mar; 42 (3): 448−457, doi: 10.1038/s41587-023-01800-0.
2. Patel P. Wearable ultrasound sees deep tissue on the move. IEEE Spectrum, 2023 May 26. Dostupné na: https://spectrum.ieee.org/wearable-ultrasound-wireless



Přihlášení
Zapomenuté heslo

Zadejte e-mailovou adresu, se kterou jste vytvářel(a) účet, budou Vám na ni zaslány informace k nastavení nového hesla.

Přihlášení

Nemáte účet?  Registrujte se