Các kỹ sư phát triển các nhãn dán có thể nhìn thấu cơ thể

Các hình ảnh siêu âm là một cánh cửa an toàn và không xâm lấn mở ra để nhìn vào các hoạt động bên trong cơ thể, giúp cho các nhà lâm sàng có được những hình ảnh sống động về các nội quan của bệnh nhân.

Để bắt được những hình ảnh đó, các kỹ thuật viên được huấn luyện để điều khiển thiết bị siêu âm và các xét nghiệm sử dụng trực tiếp sóng âm “nhìn” vào trong cơ thể. Các sóng này phản xạ trở lại để tạo ra những hình ảnh có độ phân giải cao về tim, phổi và các cơ quan bên trong cơ thể bệnh nhân.

Hiện tại, để tạo ra các hình ảnh sóng âm cần có thiết bị lớn và đặc biệt chỉ có ở các bệnh viện và phòng làm việc của các bác sĩ. Nhưng một thiết kế mới của các kỹ sư MIT có thể khiến công nghệ này hữu dụng với thiết bị có thể đeo trên người.

Trong một bài báo xuất hiện trên tạp chí Science, các kỹ sư trình bày thiết kế của một dạng nhãn dính siêu âm – một thiết bị kích thước bằng một cái tem có thể dính vào da và cung cấp hình ảnh siêu âm một cách liên tục các nội quan của cơ thể trong vòng 48 giờ.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm các nhãn dính này trên các tình nguyện viên và chứng tỏ thiết bị này có thể tạo ra những hình ảnh sống động, có độ phân giải cao các mạch máu chính và các nội quan sâu như tim, phổi, dạ dày. Các nhãn dính này lưu trữ khả năng kết dính mạnh và bắt giữ được những thay đổi nằm trong các nội quan khi các tình nguyện viên thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, bao gồm đứng, ngồi, nhảy và đạp xe.

Thiết kế hiện tại đòi hỏi sự kết nối các nhãn dính để các thiết bị này chuyển đổi các sóng âm phản xạ thành hình ảnh. Các nhà nghiên cứu chỉ ra ngay cả với hình thức hiện hành này, các nhãn dính có thể được ứng dụng lập tức: ví dụ thiết bị có thể được sử dụng cho những bẹnh nhân trong bệnh viên, tương tự như các nhãn dính giám sát tim EKG, và có thể liên tục chụp ảnh các nội quan mà không cần một nhân viên kỹ thuật cầm một thiết bị thăm dò tại chỗ trong một khoảng thời gian dài.

Nếu các thiết bị này có thể được tạo ra bằng việc vận hành không dây, một mục tiêu mà nhóm nghiên cứu này đang hướng đến – các nhãn dính siêu âm có thể được làm thành thiết bị dạng đeo theo người mà bệnh nhân có thể mang về nhà, không phải ở lại bệnh viện hoặc thậm chí mua tại một hiệu thuốc.

“Chúng tôi hình dung ra một số cách có thể dính nó vào các vị trí khác nhau trong cơ thể, và những cách có thể kết nối với điện thoại cầm tay, nơi các thuật toán AI có thể phân tích hình ảnh theo yêu cầu”, tác giả chính của nghiên cứu Xuanhe Zhao, giáo sư kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật môi trường và dân dụng ở MIT, cho biết. “Chúng tôi tin là chúng tôi đã mở ra một kỷ nguyên mới của thiết bị hình ảnh mang theo người: với một vài cách áp dụng trên cơ thể, anh có thể nhìn thấy các nội quan của mình”.

Nghiên cứu này còn gồm tác giả thứ nhất Chonghe Wang, Xiaoyu Chen, và các đồng tác giả Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, và Tao Zhao ở MIT, cùng với Hsiao-Chuan Liu của Mayo Clinic ở Rochester, Minnesota.

Một vấn đề của nhãn dính

Để chụp ảnh siêu âm, một kỹ thuật viên đầu tiên phải dùng một gel lỏng lên da bệnh nhân, vốn dùng để tương tác và truyền sóng âm. Một đầu dò, hay máy chuyển đổi, sau đó nén lên gel, gửi sóng âm vào cơ thể để nó vọng  đến các cấu trúc bên trong và phản xạ lại đầu dò, nơi các tín hiệu phản xạ được chuyển đổi thành hình ảnh thấy được.

Với bệnh nhân cần theo dõi hình ảnh chụp trong thời gian dài, một số bệnh viên đã đưa ra các đầu dò thêm vào các cánh tay robot có thể cầm nắm đầu dò tại các điểm nhưng gel siêu âm lỏng thường chảy ra ngoài điểm đó và làm gián đoạn việc chụp ảnh theo thời gian.

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã khám phá các thiết kế đầu dò sóng âm có thể co giãn để đem lại hình ảnh về các nội quan. Các thiết kế này đem lại các đầu dò sóng âm linh hoạt và phù hợp hơn với bệnh nhân.

Nhưng các thiết kế thực nghiệm của các nhà nghiên cứu lại tạo ra những hình ảnh có độ phân giải thấp do bị co giãn: trong khi cơ thể chuyển động, các thiết bị chuyển đổi này dịch chuyển vị trí làm cho các hình ảnh bị sai lệch.

“Công cụ hình ảnh sóng âm có thể mang theo người có tiềm năng lớn trong tương lai của chẩn đoán hình ảnh. Tuy nhiên, độ phân giải và thời lượng hình ảnh của các thiết bị siêu âm hiện tại lại thấp và chúng không thể chụp ảnh các nội quan sâu bên trong cơ thể”, Chonghe Wang, người từng học tại MIT, nhận xét.

Một cái nhìn sâu

Nhãn dính siêu âm mới của nhóm nghiên cứu ở MIT tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao trong thời gian dài hơn bằng cách ghép nối một lớp keo co giãn với một dãy đầu dò cứng. “Sự kết hợp này cho phép thiết bị có thể linh hoạt kết nối với da trong khi lưu giữ được vị trí tương ứng của đầu dò để tạo ra những hình ảnh rõ ràng hơn, chính xác hơn”, Wang nói.

Mặt dính của thiết bị này được làm từ hai lớp mỏng đàn hồi gói gọn hydrogel đậm đặc, một vật liệu chứa nước dễ dàng truyền sóng âm. Không giống như gel sóng âm truyền thống, hydrogel của nhóm nghiên cứu ở MIT rất đàn hồi và có khả năng kéo dãn.

“Độ đàn hồi này ngăn sự giải hydro của hydrogel”, Chen, một postdoc MIT, cho biết. “Chỉ khi hydrogel có độ hydrat mới có thể để các sóng âm đâm xuyên qua một cách hiệu quả và đem đến hình ảnh có độ phân giải cao về các nội quan”.

Lớp đàn hồi phía dưới được thiết kế để có thể dính vào da trong khi lớp trên ghép nối với dãy đầu dò mà nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo. Toàn bộ nhãn dán sóng âm đo đạc khoảng diện tích cm²  và độ dày 3 milimét – tương đương với diện tích của một con tem.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một nhãn dán chạy bằng nguồn điện pin trên các tình nguyện viên. Họ đeo nhãn dán này ở nhiều phần khác nhau của cơ thể mình như cổ, ngực, bụng và cánh tay. Các nhãn dán này gắn với da họ và tạo ra những hình ảnh rõ ràng về các cấu trúc bên trong cơ thể trong thời gian lên tới 48 giờ. Trong suốt thời gian này, các tình nguyện viên đã thực hiện rất nhiều hoạt động như đứng và ngồi, nhảy lên, đạp xe và nâng tạ.

Từ những hình ảnh mà nhãn dán đem lại, nhóm nghiên cứu đã có thể quan sát sự thay đổi đường kính của các mạch máu chủ khi đứng và ngồi. Các nhãn dán có thể nắm bắt các chi tiết của các nội quan sâu hơn như cách trái tim thay đổi hình dạng khi đập trong quá trình con người vận động. Các nhà nghiên cứu đã có thể quan sát dạ dày căng lên, sau đó co lại khi tình nguyện viên uống nước và chất dịch di chuyển trong hệ thống nội quan. Và khi các tình nguyện viên nâng tạ, nhóm nghiên cứu có thể dò được những mẫu hình sáng trong những khối cơ, tín hiệu về những ảnh hưởng vi mô tạm thời.

“Với hình ảnh đó, chúng tôi có thể nắm bắt được khoảnh khắc xuất hiện trong một bài tập trước khi quá sức chịu đựng của cơ và dừng lại trước khi cơ trở nên đau nhức”, Chen nói. “Chúng tôi không biết rõ khi nào thì khoảnh khắc đó có thể đến nhưng hiện tại chúng tôi có thể cung cấp dữ liệu hình ảnh mà các chuyên gia có thể nhận ra”.

Nhóm nghiên cứu đang làm việc để tạo ra chức năng truyền không dây cho các nhãn dán. Họ cũng phát triển các thuật toán phần mềm dựa trên trí tuệ nhân tạo có thể diễn dịch tốt hơn và chẩn đoán tốt hơn hình ảnh của các thiết bị mỏng này. Sau đó, Zhao mường tượng các dán nhãn siêu âm có thể được đóng gói theo cách thuận lợi cho các bệnh nhân, khách hàng và sử dụng không chỉ để theo dõi nhiều nội quan mà còn cả quá trình tiến triển của các khối u cũng như sự phát triển của dị tật bào thai.

“Chúng tôi hình dung là chúng tôi có thể có một gói các nhãn dán, mỗi loại được thiết kế để chụp ảnh các vị trí khác nhau trong cơ thể”, Zhao nói. “Chúng tôi tin là thiết bị này là một độ phát trong lĩnh vực các thiết bị đeo trên người và hình ảnh y khoa”.

Nhàn Thanh tổng hợp

Nguồn: https://techxplore.com/news/2022-07-stickers-body.html

https://www.businessinsider.com/mit-engineers-create-stamp-sized-stickers-that-see-inside-body-2022-7