Ultrazvuk v náplasti – chytrý systém schopný monitorovat pacienta při běžných aktivitách

Ultrazvukové vyšetření vyžaduje vybavení a znalosti

Při zobrazování tkáně pomocí ultrazvuku se využívá odrazu vysokofrekvenčních zvukových vln od prostředí s různou hustotou. Ozvěny zachycené ultrazvukovou sondou se poté rekonstruují do obrazů. Ačkoliv je ultrazvukové vyšetření oproti jiným zobrazovacím technikám levnější a pro pacienta bezpečnější, vyžaduje poměrně objemné přístroje, a hlavně zručného technika či lékaře, který je obsluhuje. Ostrost získaného obrazu a spolehlivost výsledku závisí především na manipulaci se sondou. Klasické ultrazvukové vyšetření je tedy z podstaty věci manuální a nelze jej provádět kontinuálně během aktivity pacienta.

Na vývoji nositelného ultrazvukového systému pracuje několik výzkumných skupin. Jejich dosavadní úsilí vedlo ke vzniku různých systémů, které však vyžadovaly fyzické připojení k externímu zdroji energie a sběrači dat či jinému hardwaru.

Ultrazvuková náplast

Autoři z Kalifornské univerzity v San Diegu publikovali v časopisu Nature Biotechnology svou studii nového plně integrovaného ultrazvukového snímače srdeční činnosti (viz obr.). Systém se skládá z elastické ultrazvukové sondy tvořené 32kanálovou soustavou piezoelektrických měničů, které konvertují elektrické signály na zvukové vlny a naopak. Sonda je připojena k flexibilnímu řídicímu obvodu pomocí stočených elastických měděných drátků. Řídicí obvod kontroluje generování ultrazvukových pulzů a sbírání ozvěn, jež se poté zesilují a odesílají do mikrořadicí jednotky. Ta je převede na digitální signály, které se pomocí wi-fi odešlou do počítače nebo chytrého telefonu. Systém je napájen běžným lithium-polymerovým akumulátorem a vydrží až 12 hodin na jedno nabití. Snímač je schopen detekovat signály z tkání až 16 centimetrů pod povrchem těla.

Obr. Plně integrovaný bezdrátový ultrazvukový snímač pro kontinuální sledování pacienta: 
A) Fotografie zařízení aplikovaného na kůži pro ultrazvukové monitorování srdeční aktivity s parasternálním přístupem.
B) Schematický nákres technologie zařízení.
C) Zobrazení karotidy (CA) a hrdelní žíly (JV) v B módu při provádění Valsalvova manévru.

Vyhodnocení signálů

Pro analýzu dat z ultrazvukové náplasti tým vědců vyvinul algoritmus založený na strojovém učení. Tepová frekvence a krevní tlak nositele se počítají na základě pulzování krkavice a hrdelní žíly. Systém je dále schopen měřit kontrakci srdečního svalu pro odhad vypuzovaného krevního objemu a také monitorovat pohyby bránice pro výpočet respiračních parametrů. Pokud se náplast při aktivitě nositele pohne relativně ke snímané tkáni, systém je schopen v reálném čase vybrat kanály snímače s nejlepším signálem.

Přístroj byl zkoušen v reálných podmínkách aerobního i anaerobního tréninku. Při obou aktivitách byla ultrazvuková náplast schopna kontinuálně monitorovat pulzování karotidy a tím sledovat krevní tlak, tepovou frekvenci a srdeční činnost.

A jaké využití se rýsuje v praxi?

Ultrazvuk v náplasti nemá ambici nahradit konvenční ultrasonografii. Kvalita snímaného signálu, stejně jako hloubka průniku do tkáně jsou zatím omezené. Hlavní výhodou systému je možnost kontinuálního monitorování v reálném čase v průběhu každodenních aktivit, což může mít značnou klinickou hodnotu. Z pohledu rigorózní diagnostiky je důležitá např. odpověď pacienta na intenzivní fyzickou aktivitu. Průběžné sledování v delším časovém úseku umožňuje analyzovat dynamické změny kardiovaskulárního systému v odpovědi na stresory. Tyto poznatky by mohly být výhodné pro řadu jedinců – od sportovců optimalizujících svůj tréninkový plán přes pacienty rehabilitující po kardiologických zákrocích až po vysoce rizikové skupiny osob, u nichž je třeba lépe stratifikovat a predikovat kardiovaskulární riziko.

(este)

Zdroje:
1. Lin M., Zhang Z., Gao X. et al. A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects. Nat Biotechnol 2024 Mar; 42 (3): 448−457, doi: 10.1038/s41587-023-01800-0.
2. Patel P. Wearable ultrasound sees deep tissue on the move. IEEE Spectrum, 2023 May 26. Dostupné na: https://spectrum.ieee.org/wearable-ultrasound-wireless