فناوری نوآورانه‌ی MIT: حسگر اولتراسوند

مقدمه

حسگر ساخته شده توسط MIT می‌تواند نشانه‌های بیماری مانند نارسایی کبد و کلیه و پیشرفت تومورها را تشخیص دهد. نمونه‌ی اولیه‌ی آن به صورت برچسب به بازو متصل می‌شود و تقریباً هم اندازه‌ی یک تمبر پستی و شامل مدار چاپی انعطاف پذیر است.

این حسگر اولتراسوند پوشیدنی، با استفاده از پدیده‌ی اولتراسوند می‌تواند به شناسایی و کنترل تغییر اندام‌های داخلی بدن کمک کند. برای دانستن جزییات بیش‌تر، با ما در این وبلاگ از اسکایتک همراه باشید.

عملکرد حسگر اولتراسوند

در یک مطالعه با دسترسی آزاد که در Science Advances منتشر شد ، گروه گزارش می‌دهد که این حسگر اولتراسوند می‌تواند امواج صوتی را از طریق پوست و بدن بفرستد.

سپس امواج بازتاب شده از اندام‌های داخلی، به حسگر برمی‌گردند. الگوی امواج بازتاب شده را می‌توان به عنوان نشانه‌ای از تغییر اندام داخلی دانست که حسگر می‌تواند آن را اندازه گیری و ردیابی کند.

مهندس ژوان ژائو، استاد مهندسی مکانیک در MIT، می‌گوید: “وقتی برخی از اندام‌ها دچار بیماری می‌شوند، ممکن است در طول زمان دچار تغییر و سفت شوند.

با این حسگر پوشیدنی، ما می‌توانیم به طور مداوم تغییرهای ناشی از سفتی را در بازه‌های زمانی طولانی بررسی کنیم که برای تشخیص زودهنگام نارسایی اندام داخلی بسیار مهم است.”

این گروه نشان داده است که این حسگر به طور مداوم سفتی اندام‌ها را در مدت 48 ساعت، کنترل می‌کند و تغییرات ظریفی را که می‌تواند نشان دهنده‌ی پیشرفت بیماری باشد، بسنجد. در آزمایش‌های اولیه، محققان دریافتند که حسگر اولتراسوند نشانه‌های اولیه‌ی نارسایی حاد کبد را در موش‌ها تشخیص دادند.

در حال حاضر، مهندسان در تلاش هستند تا طرح پیاده سازی حسگر را برای استفاده در بدن انسان، توسعه دهند. آن‌ها پیش بینی می‌کنند که حسگر اولتراسوند در بخش‌های مراقبت ویژه (ICU) به‌ راحتی قابل استفاده هستند.

همچنین این حسگر برای نظارت دائمی وضعیت بیمارانی که در حال بهبودی پس از پیوند عضو هستند، بسیار کارآمد و مؤثر است.

محقق لیو، نویسنده‌ی اصلی مقاله‌ی مجله‌ی MIT و استادیار دانشگاه کالیفرنیای امریکای جنوبی، می‌گوید: “ما تصور می‌کنیم که درست بعد از پیوند کبد یا کلیه، می‌توانیم حسگر اولتراسوند را به بیمار وصل و مشاهده کنیم که چگونه سفتی اندام در طول روز تغییر می‌کند.

اگر تشخیص زودهنگام نارسایی حاد کبدی وجود داشته باشد، پزشکان می‌توانند به جای اینکه منتظر بمانند تا زمانی که وضعیت شدید شود، فوری وارد عمل شوند.”

روش سنجش حسگر اولتراسوند

مانند ماهیچه‌های ما، بافت‌ها و اندام‌های داخل بدن با افزایش سن به تدریج دچار سفتی می‌شوند. این سفت شدن اندام‌ها ممکن است ناشی بروز برخی از بیماری‌ها باشد. پزشکان در حال حاضر روش‌هایی برای اندازه گیری سفتی اندام‌هایی مانند کبد و کلیه‌ها با استفاده از الاستوگرافی اولتراسوند دارند. شاید از خود بپرسید که الاستوگرافی چیست؟

الاستوگرافی یا سونوگرافی برای بررسی سلامت بافت در کبد، کلیه، غدد لنفاوی و سایر اندام‌های داخلی کاربرد دارد. روش‌های تصویربرداری مبتنی بر الاستوگرافی در سال‌های اخیر برای ارزیابی غیرتهاجمی خواص مکانیکی بافت، مورد توجه قرار گرفته‌اند.

این روش‌ها از تغییر ویژگی ارتجاعی بافت نرم در آسیب شناسی‌های مختلف برای به دست آوردن اطلاعات کمی و کیفی استفاده می‌کنند.

این سنجش‌ها به صورت تصویربرداری تخصصی انجام می‌شوند که می‌توانند سفتی بافت را در پاسخ به نیروی مکانیکی اعمال شده (فشرده یا موج عرضی) تشخیص دهند.

پراب سونوگرافی، امواج صوتی را به بدن می‌فرستد که باعث به وجود آمدن کمی ارتعاش در اندام‌های داخلی می‌شود. حسگر اولتراسوند امواج بازتاب شده را دریافت می‌کند و الگوی آن‌ها را به داده‌هایی که نرم یا سفت بودن بافت‌ها را بیان می‌کنند، تبدیل می‌کنند.

الاستوگرافی اولتراسوند معمولاً در ICU برای نظارت بر بیمارانی که تحت عمل جراحی پیوند عضو قرار گرفته‌اند، استفاده می‌شود. پزشکان در بازه‌های زمانی به طور مرتب بیمار را در مدت کوتاهی پس از جراحی معاینه می‌کنند تا در همان زمان اندام جدید را بررسی و تحلیل کنند و به دنبال نشانه‌های سفت شدن و نارسایی حاد باشند.

اهمیت حسگر اولتراسوند

مهندس ژو، استاد دانشگاه USC، می‌گوید: ” 72 ساعت اول پس از پیوند عضو، زمان بسیار مهم و حیاتی برای بیمار و پزشکان است. پزشکان نمی‌توانند با پراب سونوگرافی که روشی قدیمی است، وضعیت بیمار را به طور مداوم در دراز مدت بررسی کنند.

ممکن است آن‌ها لحظه‌ی بسیار حیاتی را از دست بدهند و دیر متوجه شوند که اندام پیوندی در حال از کار افتادن است.”

گروه تحقیقاتی متوجه شدند که حسگر پوشیدنی می‌تواند به عنوان جایگزین پراب سونوگرافی، ارائه شود. این حسگر قبلاً برای تصویربرداری عمیق از بافت‌ها و اندام‌های داخلی ساخته شده بود، اکنون در حال توسعه است.

ژائو توضیح می‌دهد: “حسگر تصویربرداری ما، امواج طولی را دریافت می‌کرد، در حالی که این بار می‌خواستیم امواج عرضی را انتخاب کنیم که سفتی اندام را بسنجد.”

این حسگر، امواج عرضی یا همان ارتعاش‌های اندام‌های داخلی را در پاسخ به تکانه‌های صوتی اندازه گیری می‌کند. هر چه امواج عرضی با سرعت بیش‌تری در اندام حرکت کنند، اندام به عنوان بافت سفت و آسیب پذیر شناسایی خواهد شد.

این گروه تحقیقاتی به دنبال کوچک کردن حسگر اولتراسوند برای قرار دادن بر روی یک برچسب به اندازه‌ی تمبر بود. همچنین هدف آن‌ها حفظ همان حساسیت حسگر بود و معمولاً شامل حدود 128 مبدل پیزوالکتریک است که هر یک از آن‌ها میدان الکتریکی ورودی را به امواج صوتی خروجی تبدیل می‌کند.

فرایند آزمایش حسگر اولتراسوند

ژو می‌گوید: “ما از روش‌های ساخت پیشرفته برای برش مبدل‌های کوچک از مواد پیزوالکتریک با کیفیت بالا استفاده کردیم که به ما امکان طراحی حسگرهای اولتراسوند مینیاتوری را می‌داد.”

محققان به طور دقیق 128 مبدل مینیاتوری ساختند که آن‌ها را روی یک تراشه‌ی 25 میلی متر مربع قرار دادند. آن‌ها سطح زیرین تراشه را با یک چسب ساخته شده از هیدروژل پوشاندند.

هیدروژل، ماده‌ی چسبناک و انعطاف پذیر و مخلوطی از آب و پلیمر است که به امواج صوتی اجازه می‌دهد تقریباً بدون اتلاف به داخل و خارج دستگاه حرکت کنند.

در آزمایش‌های اولیه، حسگر پوشیدنی را روی موش‌ها آزمایش کردند. آن‌ها دریافتند که این برچسب‌ها قادر به اندازه گیری مداوم سفتی بافت کبد در طول 48 ساعت هستند.

از داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط حسگر، محققان نشانه‌های واضح و اولیه‌ی نارسایی حاد کبد را مشاهده کردند که بعداً با نمونه‌های بافتی، را تأیید کردند.

لیو می‌گوید: ” هنگامی که کبد دچار نارسایی شود، سفتی بافت چندین برابر افزایش می‌یابد.”

ژائو می‌افزاید: ” شما برای درک بهتر می‌توانید کبد سالم را به تخم مرغ آب پز عسلی و کبد ناسالم را به تخم مرغ آب پز سفت تشبیه کنید. این برچسب هوشمند می‌تواند تفاوت‌ها را در اعماق بافت و اندام‌ها تشخیص دهد.”

این گروه در حال کار با پزشکان هستند تا این برچسب را برای استفاده در بیمارانی که پس از پیوند عضو در ICU تحت مراقبت هستند، تطبیق دهند.

آن‌ها تغییر زیادی در طراحی فعلی برچسب را پیش‌بینی نمی‌کنند، زیرا می‌توان آن را به پوست بیمار چسباند و امواج صوتی را ارسال و دریافت می‌کند و در نهایت داده‌ها توسط وسایل الکترونیکی مانند الکترودها جمع‌آوری و تحلیل می‌شوند.

آینده‌ی خوش بینانه‌ی حسگر اولتراسوند

دکتر ژانگ، دانشیار پزشکی در دانشکده‌ی پزشکی هاروارد و دانشیار مهندسی زیستی در بریگام و بیمارستان زنان می‌گوید: ” زیبایی و شگفتی این حسگر پوشیدنی در وزن کم، سازگار و پایدار طولانی مدت خلاصه می‌شود.

علاوه بر نظارت همیشگی بر وضعیت بیماران، نه تنها بیماران رنج کم‌تری را تحمل می‌کنند. بلکه نظارت دائمی از وظایف پرستاران و کادر درمان کاسته می‌شوند.”

محققان همچنین امیدوارند که این برچسب را در یک نسخه‌ی قابل حمل و کوچک‌تر ارائه دهند تا بیماران بتوانند از آن‌ها در منزل خودشان استفاده کنند.

ژائو می‌گوید: “ما معتقدیم که این یک فناوری نجات‌بخش است. در آینده، ما فکر می‌کنیم که افراد می‌توانند چند برچسب به بدن خود وصل کنند تا بسیاری از سیگنال‌های حیاتی را اندازه گیری کنند و سلامت اندام‌های اصلی بدن را تصویربرداری و ردیابی کنند. البته این پروژه تا حدی توسط مؤسسه‌ی ملی بهداشت حمایت شد.”