Giyilebilir ultrason yaması kullanılarak derin doku sertliğinin seri olarak izlenmesi

İnsan dokularının biyomekanik özellikleri, fizyolojik sistemlerin yapısını ve işlevini sürdürmede çok önemli bir rol oynamaktadır. Dokuların biyomekanik özelliklerinin düzenli olarak değerlendirilmesi, doku büyümesinin, metabolik durumun, bağışıklık fonksiyonunun ve hormon düzenlemesinin zamanında değerlendirilmesine olanak tanır. Ayrıca, bu özelliklerin genellikle çeşitli hastalıklar için önemli etkileri vardır. Enflamasyon, kistler, fibroz ve karsinom gibi çok sayıda hastalık semptomu dokuların sertliğini etkiler. Örneğin, doku sertliği tipik olarak hem iyi huylu hem de kötü huylu tümörlerde, çoğunlukla hücre dışı matriste daha yoğun kollajen lif büyümesinin bir sonucu olarak yükselir; Spektrumun diğer ucunda, içi sıvı ile dolu olan kistler, normal dokudan belirgin şekilde daha az serttir; benzer şekilde, yaralanan veya iltihaplanan kas-iskelet ve tendon dokuları sertlikte belirgin bölgesel farklılıklar gösterir. Bu nedenle, doku sertliğinin uzamsal dağılımı, yalnızca klinik teşhis için potansiyel işaretler olarak değil, aynı zamanda hassas doku alanlarını proaktif olarak belirlemek ve korumak için önemli ölçütler olarak da kullanılabilir.

Patofizyolojik koşulların belirli gelişim aşamalarında, katılıkta her zaman hızlı değişiklikler olur. Örneğin, beyinde bulunan ve günde %4,6’lık bir spesifik büyüme oranıyla bulunan gliomalar gibi hızla çoğalan tümörler, geleneksel tek seferlik klinik test modellerini değişiklikleri takip etmekten aciz hale getirir; yalnızca sık sık izlenerek durum gerçek zamanlı olarak yönetilebilir. İkinci bir örnek, Parkinson hastalığını Parkinson sendromundan ayırt etmek için kullanılan bir teşhis yaklaşımı ile verilmektedir. Bu yaklaşım, ilaç uygulamasından önce ve sonra dakikada bir kez biceps brachii kaslarının sertliğinin test edilmesini gerektirir. Bu nedenle, doku biyomekanik özelliklerinin sık sık değerlendirilmesi, hastalıkların erken teşhisine ve tedavisine yardımcı olmanın yanı sıra rehabilitasyon ilerlemesini değerlendirmek için hayati önem taşır.

Manyetik rezonans görüntüleme, optik tutarlılık görüntüleme veya ultrason kullanılarak gerçekleştirilebilen elastografi, invazif olmayan, yüksek çözünürlüklü ve modül dağılımının hacimsel olarak yeniden yapılandırılmasını sağladığı için insan dokularının biyomekanik özelliklerini değerlendirmede en yaygın yöntemdir. konuda. Manyetik rezonans görüntüleme ve optik tutarlılık görüntüleme, kesme dalgası elastografisi ilkesine dayalı taramalar gerçekleştirir. İncelenmekte olan doku, içinde kayma dalgaları oluşturan düşük frekanslı mekanik titreşimlere tabi tutulur. Bu kesme dalgalarının yayılması, manyetik rezonans görüntüleme ve optik tutarlılık görüntüleme kullanılarak yakalanabilir. Kayma dalgası hızı, ortamın sertliğine bağlı olarak değiştiğinden, kayma dalgası hızı ve takip eden modül dağılımı, modül ve dalga hızı arasındaki iyi bilinen ilişkiler kullanılarak hesaplanabilir.

Ancak bu tür cihazlar sadece tek klinik muayeneler için uygundur. Yüksek maliyet, uzun algılama süresi ve hacimli boyut, kullanımlarını yalnızca tıbbi ortamlarla sınırlandıran ana nedenlerdir. Bu modaliteler, sık izleme için çeşitli ortamlarda kullanılmaya uygun değildir. Ayrıca, ışığın biyolojik dokular tarafından güçlü bir şekilde saçılması ve emilmesi nedeniyle, optik koherens görüntüleme yalnızca derinin 0,6 mm altındaki dokuları saptayabilir ve bu yöntemin uygulanabilirliğini önemli ölçüde sınırlar.

Ultrason dalgalarının dokulara içsel güçlü penetrasyonundan yararlanan ultrason tabanlı elastografi, derin dokuların mekanik özelliklerini 4 cm’nin üzerinde haritalayabilir. Ultrason elastografisi iki prensibe dayalı olarak yürütülebilir: kayma dalgası ve yarı statik. Kayma dalgası tabanlı ultrason elastografi, manyetik rezonans kayma dalgası elastografisi ve optik tutarlılık kayma dalgası elastografisine göre belirli avantajlara sahiptir, çünkü kayma dalgaları oluşturmak için odaklanmış ultrason dalgalarını kullanır ve harici bir mekanik vibratör ihtiyacını ortadan kaldırır. Bununla birlikte, dokuya önemli miktarda enerji verilmesini gerektirir ve uzayan tarama süreleri, kayda değer doku ısınmasına neden olabilir. Diğer dezavantajlar, sonuçları etkileyen dalga girişimi olasılığını ve incelemenin operatörün becerisine bağlı olmasını içerir. Sonuç olarak, ultrason kayma dalgası elastografisi, sık ve seri izleme için en uygun yöntem değildir.

Buna karşılık, Hooke Yasasına dayalı yarı statik elastografi, yukarıda belirtilen sorunları sunmaz. Yarı statik elastografi, doku modülünü belirlemek için statik kompresyondan önceki ve sonraki doku deformasyonlarını karşılaştırır. Bununla birlikte, yarı statik elastografide ultrason kullanımı kendi sorunlarını ortaya çıkarabilir. En büyük zorluk, düzlemsel tabanlı geleneksel katı ultrason probları ile kavisli insan dokusu arasındaki geometrik uyumsuzluğun, zayıf akustik bağlantıya yol açarak bilgi kaybına ve eserlere yol açabilmesidir. Ayrıca, mevcut ultrason cihazları, öncelikle kısa vadeli klinik teşhis için tasarlanmış manuel olarak elde tutulan problardır ve inceleme sırasında uygun test yerleri bulmanın karmaşıklığı ve hacimli prob muhafazası, hareket etmesini veya uzun süre taşınmasını elverişsiz hale getirir. . Bu nedenle, mevcut kurulumla sürekli hasta izlemesi sağlanamaz.

Bu teknolojik boşluğu gidermek için, uzun vadeli modül izleme için cilde uyumlu bağlanma sağlayan esnek ve gerilebilir bir ultrason dizisi bildirdik. Bu teknolojinin yeniliği, 16’ya 16 ayrı piezoelektrik eleman, gerilebilir serpantin bakır elektrotlar ve biyouyumlu yumuşak kapsülleme polimer substrattan oluşan yeni yama benzeri tasarımdan yararlanır. Ada-köprü yapısı, yamayı yerel olarak sert, ancak genel olarak yumuşak hale getirir. İnsan vücudunda yüksek çözünürlüklü ve yüksek kontrastlı elastik görüntüler elde etmek için tutarlı bir bileşik iletme tabanlı görüntüleme algoritması gösterildi. Dokuların kantitatif modülünü, geleneksel kalitatif gerinim haritalama tekniklerine kıyasla ileri bir adım olan ters bir problemi çözerek elde edebiliriz. Gecikmeli kas ağrısı testlerinde kas yaralanmasının sürekli takibinde giyilebilir yamanın uygulanmasını doğruladık (Şekil 1).

Şekil 1 | İnsanda gecikmiş başlangıçlı kas ağrısının seri gözetimi. A, Üst kola uyan cihazı gösteren optik görüntü. B, Eksantrik egzersizden önce ve sonra biceps brachii kasının normalleştirilmiş modül kontrastı ve ağrı yoğunluğunun seri izleme sonuçları. Kasın modül dağılımını haritaladık ve ardından üstte çizilen biceps brachii bölgesinin ortalama ve standart sapmalarını hesapladık. Her nokta ve hata çubuğu, bir ölçümün sonucunu temsil eder. Bitişik testler arasındaki zaman aralığı 1 dakikadır. Her fizyoterapi seansında, egzersiz öncesi biceps brachii kasının modül kontrastı ile veriler normalleştirildi. En altta, ağrı görsel analog skalası izlenerek ağrı skorları değerlendirildi.

Bu teknolojiyi geliştirmedeki en büyük zorluklardan biri, yüksek hassasiyete sahip bir dönüştürücü dizisi oluşturmaktır. Numunedeki saçılan parçacıkların hareketini ultrason dalgasıyla kaydetmek ve normalleştirilmiş çapraz korelasyon algoritmasına dayalı yer değiştirme alanlarını hesaplamak, yüksek hassasiyete sahip bir cihaz gerektirir. Bunun nedeni, saçılan parçacıkların boyutunun çok küçük olması ve bunun sonucunda zayıf yansıyan sinyallerdir. Bununla birlikte, geleneksel yüksek sıcaklıkta yapıştırma yöntemleri, piezoelektrik malzemelerdeki epokside önemli geri dönüşü olmayan termal hasara neden olarak dönüştürücü elemanın hassasiyetini bozmuştur. Bu zorluğun üstesinden gelmek için araştırmacılar, lehim pastasını iletken epoksi ile değiştiren ve bağlamanın elemana zarar vermeden oda sıcaklığında tamamlanmasını sağlayan düşük sıcaklıkta birleştirme yaklaşımı geliştirdiler. Ek olarak, tek düzlemli dalga iletim modunu, tüm örnek boyunca sinyal yoğunluğunu artırmak için daha fazla enerji sağlayan ve daha yüksek sinyal-gürültü oranlarıyla sonuçlanan tutarlı bir düzlem-dalga birleştirme moduyla değiştirdiler. Araştırmacılar, bu stratejileri birleştirerek, cihazın hassasiyetini geliştirerek saçılan parçacıklardan gelen en zayıf sinyalleri bile yakalamasını sağladı.

Özetle, derin doku modülünün non-invaziv ve sürekli izlenmesini sağlayan giyilebilir bir ultrason yamasının tasarımını ve mikrofabrikasyon teknolojisini sunduk. Önerilen cihaz, deriye mükemmel bir şekilde yapışmasını sağlayan yüksek mekanik uyumluluğa sahiptir ve böylece geleneksel sert ultrason probları ile karşılaşılan zayıf akustik bağlantı sınırlamasının üstesinden gelir. Yama, derin doku mekanik özelliklerinin uzun vadeli izlenmesi için potansiyelini göstererek gelecekte giyilebilir sensör gelişimi için uygun bir çözüm haline getirdi. Yamada kullanılan ultrason tabanlı algılama mekanizmasının, derin dokulardaki fiziksel ve kimyasal özellikler de dahil olmak üzere parametreleri saptama kapsamını genişletmek için yaygın olarak benimsenebileceğine ve daha da geliştirilebileceğine inanıyoruz. Giyilebilir ultrason yamasını kullanarak derin doku modülünü sürekli ve invazif olmayan bir şekilde izleme yeteneği, çeşitli hastalıkların erken teşhisi ve tedavisi için yeni bir çözüm sunar. Ayrıca, bu teknoloji, bireysel hastaların mekanik özelliklerine dayalı olarak özel tedavi planlarının geliştirilebileceği ve iyileştirilmiş terapötik sonuçlara katkıda bulunabileceği kişiselleştirilmiş tıp için fırsatlar sunuyor. Daha fazla teknolojik ilerlemeyle birlikte, giyilebilir ultrason bandının hastalara daha iyi hizmet verebilecek ve sağlık kalitelerini artırabilecek yenilikçi sağlık hizmeti çözümlerinin geliştirilmesinin önünü açacağını tahmin ediyoruz.
hayat.

“Derin doku modülünün üç boyutlu haritalanması için gerilebilir ultrasonik diziler” başlıklı bu çalışma, Doğa Biyomedikal Mühendisliği (https://www.nature.com/articles/s41551-023-01038-w).

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir