Die Ultraschallbildgebung ist ein sicheres und nicht invasives Fenster in die Funktionsweise des Körpers, das den Ärzten Live-Bilder der inneren Organe eines Patienten liefert. Um diese Bilder aufzunehmen, richten geschulte Techniker mit Hilfe von Ultraschallstäben und -sonden Schallwellen in den Körper. Diese Wellen werden zurückreflektiert und liefern hochauflösende Bilder von Herz, Lunge und anderen tiefen Organen des Patienten.
Derzeit sind für die Ultraschallbildgebung sperrige und spezielle Geräte erforderlich, die nur in Krankenhäusern und Arztpraxen erhältlich sind. Ein neues Design von MIT-Ingenieuren könnte die Technologie jedoch so tragbar und zugänglich machen, wie der Kauf von Pflastern in der Apotheke.
So groß wie eine Briefmarke
Die Ingenieure stellten kürzlich das Design eines neuen Ultraschall-Aufklebers vor – ein briefmarkengroßes Gerät, das auf die Haut geklebt wird und 48 Stunden lang kontinuierlich Ultraschallbilder von inneren Organen liefern kann.
Die Forscher brachten die Aufkleber an Freiwilligen an und konnten zeigen, dass die Geräte hochauflösende Live-Bilder von großen Blutgefäßen und tiefer liegenden Organen wie Herz, Lunge und Magen liefern. Die Aufkleber blieben fest haften und erfassten Veränderungen in den darunter liegenden Organen, während die Probanden verschiedene Aktivitäten ausübten, 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 bereits in ihrer jetzigen Form unmittelbare Anwendungen haben könnten: Die Geräte könnten zum Beispiel im Krankenhaus an Patienten angebracht werden, ähnlich wie EKG-Aufkleber zur Herzüberwachung, und könnten kontinuierlich innere Organe abbilden, ohne dass ein Techniker eine Sonde für längere Zeit festhalten muss.
Drahtlos als nächsten Schritt
Wenn die Geräte drahtlos betrieben werden können – ein Ziel, auf das das Team derzeit hinarbeitet – könnten die Ultraschall-Aufkleber zu tragbaren Bildgebungsprodukten werden, die Patienten von einer Arztpraxis mit nach Hause nehmen oder sogar in einer Apotheke kaufen könnten.
„Wir stellen uns vor, dass einige Pflaster an verschiedenen Stellen des Körpers aufgeklebt werden, die dann mit dem Handy kommunizieren, wo KI-Algorithmen die Bilder bei Bedarf analysieren“, sagt der Hauptautor der Studie, Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau und Bau- und Umwelttechnik am MIT. „Wir glauben, dass wir eine neue Ära der tragbaren Bildgebung eingeleitet haben: Mit ein paar Pflastern auf dem Körper kann man seine inneren Organe sehen.“
An der Studie beteiligt 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.
Eine klebrige Angelegenheit
Bei einer Ultraschalluntersuchung trägt ein Techniker zunächst ein flüssiges Gel auf die Haut des Patienten auf, das Ultraschallwellen überträgt. Dann wird eine Sonde oder ein Schallkopf gegen das Gel gedrückt und sendet Schallwellen in den Körper, die von den inneren Strukturen reflektiert und zur Sonde zurückgeschickt werden, wo die reflektierten Signale in visuelle Bilder übersetzt werden.
Für Patienten, die über einen längeren Zeitraum Aufnahmen benötigen, bieten einige Krankenhäuser Sonden an, die an Roboterarmen befestigt sind, die einen Schallkopf ohne Ermüdung in Position halten können, aber das flüssige Ultraschallgel fließt weg und trocknet mit der Zeit aus, so dass die Langzeitaufnahmen unterbrochen werden.
In den letzten Jahren haben Forscher Entwürfe für dehnbare Ultraschallsonden erforscht, die eine tragbare, flache Bildgebung von inneren Organen ermöglichen. Diese Entwürfe sahen eine flexible Anordnung winziger Ultraschallwandler vor, die sich dehnen und dem Körper des Patienten anpassen sollte.
Diese experimentellen Entwürfe lieferten jedoch Bilder mit geringer Auflösung, was zum Teil auf ihre Dehnung zurückzuführen ist: Durch die Bewegung mit dem Körper verschieben sich die Schallköpfe relativ zueinander, wodurch das Bild verzerrt wird.
„Ein tragbares Ultraschallbildgebungsgerät hätte ein enormes Potenzial für die Zukunft der klinischen Diagnose. Allerdings sind die Auflösung und die Aufnahmedauer bestehender Ultraschallpflaster relativ gering, und sie können keine tiefen Organe abbilden“, sagt Chonghe Wang, ein MIT-Diplomstudent.
Ein Blick ins Innere
Der neue Ultraschall-Aufkleber des MIT-Teams erzeugt Bilder mit höherer Auflösung und längerer Dauer, indem er eine dehnbare Klebeschicht mit einer starren Anordnung von Schallköpfen kombiniert. „Diese Kombination ermöglicht es dem Gerät, sich an die Haut anzupassen und gleichzeitig die relative Position der Schallköpfe beizubehalten, um klarere und präzisere Bilder zu erzeugen“, sagt Wang.
Die Klebeschicht des Geräts besteht aus zwei dünnen Elastomerschichten, die eine mittlere Schicht aus festem Hydrogel einkapseln, einem Material auf Wasserbasis, 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, ein MIT-Postdoc. „Nur wenn das Hydrogel stark hydratisiert ist, können die akustischen Wellen effektiv eindringen und eine hochauflösende Darstellung der inneren Organe liefern.“
Die untere Elastomerschicht ist so konzipiert, dass sie auf der Haut haftet, während die obere Schicht an einer starren Anordnung von Schallköpfen haftet, die das Team ebenfalls entwickelt und hergestellt hat. Der gesamte Ultraschallaufkleber ist etwa 2 cm2 groß und 3 mm dick – etwa so groß wie eine Briefmarke.
Interessante Ergebnisse in 48 Stunden
Die Forscher unterzogen den Ultraschallaufkleber einer Reihe von Tests mit gesunden Freiwilligen, die die Aufkleber an verschiedenen Körperstellen trugen, darunter Hals, Brust, Bauch und Arme. Die Aufkleber blieben auf der Haut kleben und lieferten bis zu 48 Stunden lang klare Bilder der darunter liegenden Strukturen. Während dieser Zeit führten die Probanden im Labor eine Vielzahl von Aktivitäten aus, vom Sitzen und Stehen bis hin zum Joggen, Radfahren und Gewichteheben.
Anhand der Bilder der Aufkleber konnte das Team beobachten, wie sich der Durchmesser der großen Blutgefäße im Sitzen und im Stehen verändert. Die Aufkleber erfassten auch Details von tiefer gelegenen Organen, zum Beispiel wie sich die Form des Herzens bei körperlicher Anstrengung verändert. Die Forscher konnten auch beobachten, wie sich der Magen ausdehnte und wieder zusammenzog, während die Probanden tranken und später den 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 Hilfe der Bildgebung könnten wir den Moment eines Trainings vor der Überlastung erfassen und aufhören, bevor die Muskeln schmerzen“, sagt Chen. „Wir wissen zwar noch nicht, wann dieser Moment eintritt, aber wir können jetzt Bilddaten liefern, die Experten interpretieren können.“
KI soll bei Interpretation unterstützen
Das Team arbeitet daran, die Aufkleber drahtlos funktionieren zu lassen. Außerdem entwickeln sie Software-Algorithmen, die auf künstlicher Intelligenz basieren und die Bilder der Aufkleber besser interpretieren und diagnostizieren können. Zhao stellt sich vor, dass die Ultraschall-Sticker dann von Patienten und Verbrauchern verpackt und gekauft werden könnten und nicht nur zur Überwachung verschiedener innerer Organe, sondern auch zur Überwachung des Fortschreitens von Tumoren und der Entwicklung von Föten im Mutterleib verwendet werden könnten.
„Wir stellen uns vor, dass wir eine Schachtel mit Aufklebern haben könnten, von denen jeder eine andere Stelle des Körpers abbildet“, sagt Zhao. „Wir glauben, dass dies einen Durchbruch bei tragbaren Geräten und medizinischer Bildgebung darstellt.“
Diese Forschung wurde zum Teil vom MIT, der Defense Advanced Research Projects Agency, der National Science Foundation, den National Institutes of Health und dem U.S. Army Research Office über das Institute for Soldier Nanotechnologies am MIT finanziert.
