Ingenieros del MIT han diseñado un dispositivo del tamaño de un sello que se adhiere a la piel y ofrece imágenes continuas por ultrasonido de los órganos internos durante 48 horas.
Esta tecnología puede producir imágenes en directo y de alta resolución de los principales vasos sanguíneos y los órganos más profundos, y tiene un enorme potencial para el futuro del diagnóstico clínico.
El equipo trabaja para que los dispositivos funcionen de forma inalámbrica y puedan convertirse en productos de diagnóstico por imagen portátiles y accesibles que los pacientes puedan llevarse a casa desde la consulta médica o comprar en una farmacia.
Las imágenes por ultrasonido ofrecen una ventana segura y no invasiva al funcionamiento del cuerpo y proporcionan a los profesionales clínicos imágenes en directo de los órganos internos de un paciente. Para obtenerlas, técnicos capacitados manipulan sondas y transductores de ultrasonido para dirigir ondas sonoras hacia el cuerpo. Estas ondas rebotan y producen imágenes de alta resolución del corazón, los pulmones y otros órganos profundos del paciente.
Actualmente, las imágenes por ultrasonido requieren equipos voluminosos y especializados, disponibles solo en hospitales y consultorios médicos. Sin embargo, un nuevo diseño de ingenieros del MIT podría hacer que esta tecnología fuera tan fácil de llevar y accesible como comprar tiritas en la farmacia.
En un artículo que se publica hoy en Science, los ingenieros presentan el diseño de una nueva pegatina de ultrasonido: un dispositivo del tamaño de un sello que se adhiere a la piel y puede ofrecer imágenes continuas por ultrasonido de los órganos internos durante 48 horas.
Los investigadores colocaron las pegatinas a voluntarios y demostraron que los dispositivos producían imágenes en directo y de alta resolución de los principales vasos sanguíneos y de órganos más profundos, como el corazón, los pulmones y el estómago. Las pegatinas mantuvieron una fuerte adherencia y captaron cambios en los órganos subyacentes mientras los voluntarios realizaban diversas actividades, como sentarse, ponerse de pie, trotar y andar en bicicleta.
El diseño actual requiere conectar las pegatinas a instrumentos que convierten las ondas sonoras reflejadas en imágenes. Los investigadores señalan que, incluso en su forma actual, las pegatinas podrían tener aplicaciones inmediatas: por ejemplo, podrían colocarse a pacientes en el hospital, de forma similar a las pegatinas de electrocardiograma para controlar el corazón, y obtener imágenes continuas de los órganos internos sin que un técnico tenga que mantener una sonda en su sitio durante largos periodos.
Si se consigue que los dispositivos funcionen de forma inalámbrica —un objetivo en el que el equipo trabaja actualmente—, las pegatinas de ultrasonido podrían convertirse en productos de diagnóstico por imagen portátiles que los pacientes se llevaran a casa desde la consulta médica o incluso pudieran comprar en una farmacia.
«Imaginamos varios parches adheridos a distintas partes del cuerpo que se comunicarían con el teléfono móvil, donde algoritmos de IA analizarían las imágenes cuando se solicitara», afirma el autor principal del estudio, Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica e ingeniería civil y ambiental en el MIT. «Creemos que hemos abierto una nueva era de imágenes portátiles: con unos pocos parches en el cuerpo, se podrían ver los órganos internos».
El estudio también incluye a los autores principales Chonghe Wang y Xiaoyu Chen, y a los coautores Liu Wang, Mitsutoshi Makihata y Tao Zhao, del MIT, así como a Hsiao-Chuan Liu, de la Clínica Mayo en Rochester, Minnesota.
Un problema pegajoso
Para obtener imágenes por ultrasonido, un técnico aplica primero un gel líquido sobre la piel del paciente, que sirve para transmitir las ondas de ultrasonido. Luego se presiona una sonda o transductor contra el gel, enviando ondas sonoras al cuerpo. Estas rebotan en las estructuras internas y vuelven a la sonda, donde las señales reflejadas se convierten en imágenes visuales.
Para los pacientes que necesitan periodos prolongados de diagnóstico por imagen, algunos hospitales ofrecen sondas fijadas a brazos robóticos que pueden mantener un transductor en su sitio sin cansarse. Sin embargo, el gel líquido de ultrasonido se escurre y se seca con el tiempo, lo que interrumpe la obtención de imágenes a largo plazo.
En los últimos años, los investigadores han explorado diseños de sondas de ultrasonido flexibles que permitirían obtener imágenes portátiles y discretas de los órganos internos. Estos diseños incorporaban una matriz flexible de pequeños transductores de ultrasonido, con la idea de que el dispositivo se estirara y se adaptara al cuerpo del paciente.
Sin embargo, estos diseños experimentales han producido imágenes de baja resolución, en parte debido a su elasticidad: al moverse con el cuerpo, los transductores cambian de posición entre sí y distorsionan la imagen resultante.
«Las herramientas portátiles de diagnóstico por imagen con ultrasonido tendrían un enorme potencial para el futuro del diagnóstico clínico. Sin embargo, la resolución y la duración de las imágenes de los parches de ultrasonido actuales son relativamente bajas, y no pueden obtener imágenes de órganos profundos», afirma Chonghe Wang, estudiante de posgrado del MIT.
Una mirada al interior
La nueva pegatina de ultrasonido del equipo del MIT produce imágenes de mayor resolución durante más tiempo al combinar una capa adhesiva elástica con una matriz rígida de transductores. «Esta combinación permite que el dispositivo se adapte a la piel y, al mismo tiempo, mantenga la posición relativa de los transductores para generar imágenes más claras y precisas», afirma Wang.
La capa adhesiva del dispositivo está compuesta por dos finas capas de elastómero que encapsulan una capa intermedia de hidrogel sólido, un material compuesto principalmente por agua que transmite fácilmente las ondas sonoras. A diferencia de los geles de ultrasonido tradicionales, el hidrogel del equipo del MIT es elástico y flexible.
«El elastómero evita que el hidrogel se deshidrate», afirma Chen, investigador posdoctoral del MIT. «Solo cuando el hidrogel está muy hidratado pueden las ondas acústicas penetrar con eficacia y producir imágenes de alta resolución de los órganos internos».
La capa inferior de elastómero está diseñada para adherirse a la piel, mientras que la capa superior se adhiere a una matriz rígida de transductores que el equipo también diseñó y fabricó. La pegatina de ultrasonido completa mide aproximadamente 2 centímetros cuadrados de superficie y 3 milímetros de grosor, más o menos el tamaño de un sello postal.
Los investigadores sometieron la pegatina de ultrasonido a una serie de pruebas con voluntarios sanos, que la llevaron en distintas partes del cuerpo, como el cuello, el pecho, el abdomen y los brazos. Las pegatinas permanecieron adheridas a la piel y produjeron imágenes nítidas de las estructuras subyacentes durante hasta 48 horas. Durante ese tiempo, los voluntarios realizaron diversas actividades en el laboratorio: se sentaron, se pusieron de pie, trotaron, anduvieron en bicicleta y levantaron pesas.
A partir de las imágenes de las pegatinas, el equipo pudo observar cómo cambiaba el diámetro de los principales vasos sanguíneos al estar sentado frente a estar de pie. Las pegatinas también captaron detalles de órganos más profundos, como el cambio de forma del corazón cuando se esfuerza durante el ejercicio. Los investigadores también pudieron observar cómo se distendía el estómago y luego volvía a contraerse cuando los voluntarios bebían zumo y, más tarde, lo eliminaban del organismo. Además, cuando algunos voluntarios levantaban pesas, el equipo detectó patrones brillantes en los músculos subyacentes, señal de microdaños temporales.
«Con las imágenes, quizá podamos captar el momento de un entrenamiento justo antes del sobreesfuerzo y detenernos antes de que duelan los músculos», afirma Chen. «Todavía no sabemos cuándo podría ser ese momento, pero ahora podemos proporcionar datos de imágenes que los expertos pueden interpretar».
El equipo trabaja para que las pegatinas funcionen de forma inalámbrica. También está desarrollando algoritmos de software basados en inteligencia artificial que permitan interpretar mejor las imágenes de las pegatinas y realizar diagnósticos. Zhao imagina que, más adelante, las pegatinas de ultrasonido podrían venderse en paquetes a pacientes y consumidores, y utilizarse no solo para controlar diversos órganos internos, sino también la evolución de tumores y el desarrollo de fetos en el útero.
«Imaginamos que podríamos tener una caja de pegatinas, cada una diseñada para obtener imágenes de una parte distinta del cuerpo», afirma Zhao. «Creemos que esto representa un avance decisivo en los dispositivos portátiles y las imágenes médicas».
Esta investigación recibió financiación, en parte, del MIT, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa, la Fundación Nacional para la Ciencia, los Institutos Nacionales de Salud y la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos, a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT.
