MIT-Ingenieure entwickeln Aufkleber, die in den Körper hineinsehen können

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Die Ultraschallbildgebung ist ein sicherer und nichtinvasiver Einblick in die Funktionsweise des Körpers und liefert Ärzten Live-Bilder der inneren Organe eines Patienten. Um diese Bilder aufzunehmen, manipulieren geschulte Techniker Ultraschallstäbe und -sonden, um Schallwellen in den Körper zu leiten. Diese Wellen werden zurückreflektiert und erzeugen hochauflösende Bilder des Herzens, der Lunge und anderer tieferliegender Organe eines Patienten.

Derzeit erfordert die Ultraschallbildgebung sperrige und spezielle Geräte, die nur in Krankenhäusern und Arztpraxen erhältlich sind. Doch ein neues Design von MIT-Ingenieuren könnte die Technologie so tragbar und zugänglich machen wie den Kauf von Pflastern in der Apotheke.

In einem heute in Science erschienenen Artikel stellen die Ingenieure den Entwurf für einen neuen Ultraschallaufkleber vor – ein briefmarkengroßes Gerät, das auf der Haut haftet und 48 Stunden lang eine kontinuierliche Ultraschallbildgebung innerer Organe ermöglichen kann.

Die Forscher brachten die Aufkleber an Freiwilligen an und zeigten, dass die Geräte hochauflösende Livebilder von großen Blutgefäßen und tiefer liegenden Organen wie Herz, Lunge und Magen erzeugten. Die Aufkleber blieben stark haften und erfassten Veränderungen in darunter liegenden Organen, wenn Freiwillige verschiedene Aktivitäten ausführten, darunter Sitzen, Stehen, Joggen und Radfahren.

Das aktuelle Design erfordert den Anschluss der Aufkleber an Instrumente, die die reflektierten Schallwellen in Bilder umwandeln. Die Forscher weisen darauf hin, dass die Aufkleber auch in ihrer jetzigen Form unmittelbare Anwendungsmöglichkeiten haben könnten: Beispielsweise könnten die Geräte ähnlich wie EKG-Aufkleber zur Herzüberwachung an Patienten im Krankenhaus angebracht werden und kontinuierlich innere Organe abbilden, ohne dass ein Techniker erforderlich wäre um eine Sonde über einen längeren Zeitraum an Ort und Stelle zu halten.

Wenn die Geräte drahtlos betrieben werden können – ein Ziel, an dem das Team derzeit arbeitet – könnten die Ultraschallaufkleber zu tragbaren Bildgebungsprodukten verarbeitet werden, die Patienten von der Arztpraxis mit nach Hause nehmen oder sogar in der Apotheke kaufen könnten.

„Wir stellen uns ein paar Pflaster vor, die an verschiedenen Stellen des Körpers angebracht werden, und die Pflaster würden mit Ihrem Mobiltelefon kommunizieren, wo KI-Algorithmen die Bilder bei Bedarf analysieren würden“, sagt der leitende Autor der Studie, Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau und Bauwesen Umweltingenieurwesen am MIT. „Wir glauben, dass wir eine neue Ära der tragbaren Bildgebung eröffnet haben: Mit ein paar Pflastern auf Ihrem Körper können Sie Ihre inneren Organe sehen.“

An der Studie sind auch die Hauptautoren Chonghe Wang und Xiaoyu Chen sowie die Co-Autoren Liu Wang, Mitsutoshi Makihata und Tao Zhao vom MIT sowie Hsiao-Chuan Liu von der Mayo Clinic in Rochester, Minnesota, beteiligt.

Ein heikles Thema

Zur Bildgebung mit Ultraschall trägt ein Techniker zunächst ein flüssiges Gel auf die Haut eines Patienten auf, das Ultraschallwellen überträgt. Anschließend wird eine Sonde oder ein Wandler gegen das Gel gedrückt und sendet Schallwellen in den Körper, die von inneren Strukturen zurück zur Sonde reflektiert werden, wo die Echosignale in visuelle Bilder umgewandelt werden.

Für Patienten, die längere Bildgebungszeiten benötigen, bieten einige Krankenhäuser an Roboterarmen befestigte Sonden an, die einen Schallkopf ermüdungsfrei an Ort und Stelle halten können. Das flüssige Ultraschallgel fließt jedoch ab und trocknet mit der Zeit aus, wodurch die Langzeitbildgebung unterbrochen wird.

In den letzten Jahren haben Forscher Entwürfe für dehnbare Ultraschallsonden erforscht, die eine tragbare, unauffällige Bildgebung innerer Organe ermöglichen würden. Diese Entwürfe ergaben eine flexible Anordnung winziger Ultraschallwandler. Die Idee dahinter war, dass sich ein solches Gerät dem Körper eines Patienten anpassen und ausdehnen würde.

Diese experimentellen Designs haben jedoch Bilder mit niedriger Auflösung erzeugt, was zum Teil auf ihre Dehnung zurückzuführen ist: Wenn sich die Wandler mit dem Körper bewegen, verschieben sie ihre Position relativ zueinander, was das resultierende Bild verzerrt.

„Tragbare Ultraschall-Bildgebungsgeräte hätten in der Zukunft der klinischen Diagnose großes Potenzial. Die Auflösung und Bilddauer bestehender Ultraschallpflaster ist jedoch relativ gering und sie können tiefe Organe nicht abbilden“, sagt Chonghe Wang, ein Doktorand am MIT.

Ein Blick von innen

Der neue Ultraschallaufkleber des MIT-Teams erzeugt über einen längeren Zeitraum Bilder mit höherer Auflösung, indem er eine dehnbare Klebeschicht mit einer starren Anordnung von Wandlern kombiniert. „Diese Kombination ermöglicht es dem Gerät, sich an die Haut anzupassen und gleichzeitig die relative Position der Wandler beizubehalten, um klarere und präzisere Bilder zu erzeugen.“ Wang sagt.

Die Klebeschicht des Geräts besteht aus zwei dünnen Elastomerschichten, die eine mittlere Schicht aus festem Hydrogel einschließen, einem größtenteils wasserbasierten Material, das Schallwellen leicht überträgt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschallgelen ist das Hydrogel des MIT-Teams elastisch und dehnbar.

„Das Elastomer verhindert die Austrocknung des Hydrogels“, sagt Chen, Postdoktorand am MIT. „Nur wenn das Hydrogel stark hydratisiert ist, können akustische Wellen effektiv eindringen und hochauflösende Bilder innerer Organe liefern.“

Die untere Elastomerschicht ist so konzipiert, dass sie auf der Haut haftet, während die obere Schicht an einer starren Anordnung von Wandlern haftet, die das Team ebenfalls entworfen und hergestellt hat. Der gesamte Ultraschallaufkleber hat einen Durchmesser von etwa 2 Quadratzentimetern und eine Dicke von 3 Millimetern – etwa die Fläche einer Briefmarke.

Die Forscher führten den Ultraschallaufkleber einer Reihe von Tests mit gesunden Freiwilligen durch, die die Aufkleber an verschiedenen Stellen ihres Körpers trugen, darunter Hals, Brust, Bauch und Arme. Die Aufkleber blieben auf der Haut haften und erzeugten bis zu 48 Stunden lang klare Bilder der darunter liegenden Strukturen. Während dieser Zeit führten die Freiwilligen eine Vielzahl von Aktivitäten im Labor durch, von Sitzen und Stehen bis hin zu Joggen, Radfahren und Gewichtheben.

Anhand der Bilder der Aufkleber konnte das Team die Veränderung des Durchmessers der großen Blutgefäße im Sitzen im Vergleich zum Stehen beobachten. Die Aufkleber erfassten auch Details tiefer gelegener Organe, beispielsweise wie das Herz seine Form verändert, wenn es während des Trainings beansprucht wird. Die Forscher konnten auch beobachten, wie sich der Magen ausdehnte und dann wieder zusammenschrumpfte, während die Freiwilligen tranken und später Saft aus ihrem Körper ausschieden. Und als einige Freiwillige Gewichte hoben, konnte das Team helle Muster in den darunter liegenden Muskeln erkennen, die auf vorübergehende Mikroschäden hinweisen.

„Mit der Bildgebung können wir möglicherweise den Moment eines Trainings vor Überbeanspruchung festhalten und aufhören, bevor es zu Muskelkater kommt“, sagt Chen. „Wir wissen noch nicht, wann dieser Moment sein könnte, aber jetzt können wir Bilddaten bereitstellen, die Experten interpretieren können.“

Das Team arbeitet daran, dass die Aufkleber drahtlos funktionieren. Sie entwickeln außerdem auf künstlicher Intelligenz basierende Softwarealgorithmen, die die Bilder der Aufkleber besser interpretieren und diagnostizieren können. Dann stellt sich Zhao vor, dass Ultraschallaufkleber verpackt und von Patienten und Verbrauchern gekauft werden könnten und nicht nur zur Überwachung verschiedener innerer Organe, sondern auch des Fortschreitens von Tumoren sowie der Entwicklung von Föten im Mutterleib verwendet werden könnten.

„Wir stellen uns vor, wir könnten eine Schachtel mit Aufklebern haben, von denen jeder eine andere Stelle des Körpers abbilden soll“, sagt Zhao. „Wir glauben, dass dies einen Durchbruch bei tragbaren Geräten und medizinischer Bildgebung darstellt.“

Diese Forschung wurde teilweise vom MIT, der Defense Advanced Research Projects Agency, der National Science Foundation, den National Institutes of Health und dem US Army Research Office über das Institute for Soldier Nanotechnologies am MIT finanziert.

Ein wiederverwendbarer Ultraschallaufkleber in Briefmarkengröße, der von Forschern in der Forschungsgruppe von Prof. Xuanhe Zhao entwickelt wurde, wurde von TIME zu einer der besten Erfindungen des Jahres 2022 gekürt. „Im Gegensatz zu dehnbaren bestehenden Ultraschall-Wearables, die manchmal verzerrte Bilder erzeugen, kann das steife Wandlerarray des neuen Geräts über einen Zeitraum von zwei Tagen hochauflösende Videos von tiefen inneren Organen (z. B. Herz, Lunge) aufzeichnen“, schreibt Alison Van Houten.

MIT-Forscher haben ein selbstklebendes Ultraschallpflaster entwickelt, das das Innenleben des Körpers bis zu 48 Stunden lang kontinuierlich abbilden kann, berichtet Sarah Kuta für das Smithsonian Magazine. „Wir glauben, dass wir eine neue Ära der tragbaren Bildgebung eröffnet haben“, sagt Prof. Xuanhe Zhao. „Mit ein paar Pflastern auf Ihrem Körper könnten Sie Ihre inneren Organe sehen.“

STAT-Reporter Edward Chen beleuchtet, wie MIT-Forscher einen neuen Ultraschallkleber entwickelt haben, der bis zu 48 Stunden auf der Haut haften kann und so eine kontinuierliche Überwachung innerer Organe ermöglicht. „Es ist eine sehr beeindruckende neue Grenze, wie wir Ultraschallbildgebung kontinuierlich zur Beurteilung mehrerer Organe und Organsysteme nutzen können“, sagte Eric Topol, Gründer und Direktor des Scripps Research Translational Institute. „48 Stunden ununterbrochene Bildgebung, man müsste jemanden in einem Krankenhaus einsperren und ihm Schallköpfe anbringen. Das ist in dieser Hinsicht erstaunlich.“

MIT-Ingenieure haben ein bioadhäsives Ultraschallgerät entwickelt, das auf die Haut eines Patienten geklebt werden kann und bis zu zwei Tage lang hochauflösende Videos von inneren Organen aufzeichnet, berichtet Sophie Bushwick für Scientific American. „Das Schöne daran ist, dass man diese Ultraschallsonde, diesen dünnen Ultraschalllautsprecher, plötzlich über 48 Stunden am Körper befestigen kann“, sagt Zhao. „Dies kann möglicherweise das Paradigma der medizinischen Bildgebung verändern, indem es eine langfristige kontinuierliche Bildgebung ermöglicht, und es kann das Paradigma im Bereich der tragbaren Geräte verändern.“

MIT-Ingenieure haben ein medizinisches Ultraschallsystem entwickelt, das ein Pflaster in der Größe einer Briefmarke verwendet, berichtet Hiawatha Bray für The Boston Globe. „Das neue MIT-System würde es einem Arzt oder Techniker ermöglichen, ein Pflaster direkt über dem zu scannenden Bereich anzubringen“, erklärt Bray. „Das Pflaster wird an ein Gerät angeschlossen, das das Ultraschallsignal erfasst, es in ein sichtbares Bild umwandelt und es zur späteren Bezugnahme aufzeichnet.“

Prof. Xuanhe Zhao und sein Forschungsteam haben ein aufklebbares Ultraschallpflaster entwickelt, das das Innere einer Person scannen kann, während sie ihrem täglichen Leben nachgeht, berichtet Ian Sample für The Guardian. „Das tragbare Pflaster, das die Größe einer Briefmarke hat, kann Blutgefäße, das Verdauungssystem und innere Organe bis zu 48 Stunden lang abbilden und bietet Ärzten so ein detaillierteres Bild der Gesundheit eines Patienten als die Schnappschüsse, die Routinescans liefern.“ erklärt Sample.

Forscher am MIT unter der Leitung von Prof. Xuanhe Zhao haben ein tragbares medizinisches Ultraschallgerät entwickelt, berichtet Jeremy Hsu für New Scientist. „Die Ultraschallaufkleber bieten möglicherweise eine flexiblere Bildgebungsoption für Krankenhäuser zur Überwachung von Patienten, ohne dass menschliche Techniker Ultraschallsonden halten müssen, und sie könnten in Situationen nützlich sein, in denen es an Technikern mangelt“, schreibt Hsu.

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