A Massachusetts Institute of Technology (MIT) mérnökei apró, ultrahanggal működő tapaszt fejlesztettek ki, amely fel tudja mérni a test mélyében rejtőző szervek szöveti állományának keménységét. A nagyjából bélyegméretű tapasz a bőrön viselhető, és úgy tervezték, hogy egy sor különböző betegség – például máj- és veseelégtelenség, illetve daganatok – árulkodó jeleit tudja kimutatni.
Hogyan működik?
A csoport a Science Advances nyílt hozzáférésű folyóiratban mutatja be, miként küld az eszköz ultrahang-hullámokat a bőrön át a test belsejébe, hogy aztán a belső szervekről visszaverődő visszhangokat felfogja.
E visszhangok mintázata sokat elárul a szervek mechanikai szilárdságáról, vagyis a szövetek keménységéről, amit a tapasz ezáltal képes mérni és nyomon követni.
„Bizonyos szervek, ha megbetegszenek, idővel keményebbé válnak – magyarázza a cikk rangidős szerzője és az MIT mechanikai mérnöke, Xuanhe Zhao. – Ezzel a hordható tapasszal hosszú időn át folyamatosan követni tudjuk a szöveti keménységben bekövetkező változásokat, ami kulcsfontosságú a belső szervek károsodásának korai kimutatásában.”
A legapróbb elváltozásokat is kimutatja
A kutatócsoport igazolta, hogy a tapasz 48 órán át folyamatosan figyelemmel tudja kísérni a belső szervek keménységét, és ki tudja mutatni a betegségek előrehaladására utaló egészen apró változásokat is. Előzetes kísérletekben bemutatták, hogy a tapadós szenzor patkányokban érzékeli az akut májelégtelenség korai jeleit.
A mérnökök most azon munkálkodnak, hogy az eszközt emberi használatra is alkalmassá tegyék. Elgondolásuk szerint a tapaszt alkalmazhatnák például intenzív osztályokon, ahol folyamatosan nyomon követhetnék vele a szervátültetésen átesett betegek állapotának alakulását.
„Úgy képzeljük el, hogy egy vese- vagy májtranszplantáció után a betegre erősíthetnénk a tapaszt, és megfigyelhetnénk a műtétet követő napok folyamán az átültetett szerv keménységének változását – fejtette ki Hsiao-Chuan Liu, a cikk vezető szerzője. –Ha sikerülne például az akut májelégtelenséget korai stádiumban felismerni, az orvosok azonnal intézkedhetnek ahelyett, hogy megvárnák, míg a beteg állapota súlyosra fordul.”
Liu a tanulmány ideje alatt az MIT vendégkutatójaként dolgozott, jelenleg pedig a Dél-Kaliforniai Egyetem tanársegédje. A közleményben az MIT részéről Xiaoyu Chen és Chonghe Wang működött még közre.
Az egészségromlás jelei
Ahogy az izmaink, úgy a többi szervünk és szövetünk is merevebbé válik az életkor előrehaladtával. Egyes betegségek felgyorsítják vagy felerősítik ezt a keményedési folyamatot, ami a súlyos egészségromlás figyelmeztető jele lehet. Az orvosok jelenleg az ultrahangos elasztográfia nevű módszerrel tudják mérni a vese, a máj és egyéb szervek keménységét. Maga az eljárás egy átlagos ultrahangvizsgálathoz hasonlít: a vizsgáló a kezével mozgatja a páciens bőrfelületén a műszer érzékelőfejét, amely hanghullámokat bocsát a szervezet belsejébe. Ezek rezgéseket keltenek a belső szervekben, amelyek így maguk is hullámokat bocsátanak ki. Az érzékelőfej felfogja ezeket a keltett hullámokat, és a mintázatukból a berendezés következtetni tud a vizsgált szerv állományának mechanikai tulajdonságaira.
Jelenleg az ultrahangos elasztográfia az a módszer, amit rutinszerűen alkalmaznak az intenzív osztályokon a szervátültetett betegek állapotának nyomon követésére. A szakszemélyzet a műtét utáni időszakban rendszeresen ismétli ezt az ellenőrzést, hogy mielőbb kiderüljön, ha a beültetett szerv keményedni kezd, ami az akut elégtelenség vagy a kilökődés korai jele lehet.
„A szervátültetés után az intenzív osztályon eltöltött első 72 óra a legkritikusabb periódus – mondta el Qifa Zhou, a Dél-Kaliforniai Egyetem tanára és a cikk másik rangidős szerzője. –A hagyományos ultrahanggal ott kell, hogy álljon valaki, és megvizsgálja a beteget. De ezt nem lehet hosszabb ideig folyamatosan csinálni. Az orvosok ezért elszalaszthatják azt a kulcsfontosságú pillanatot, amikor a kedvezőtlen változás megkezdődik, és emiatt esetleg túl későn ébrednek rá, hogy szervelégtelenség van kialakulóban.”
Korábbi technológiára épül az új fejlesztés
A csoport arra jött rá, hogy az ehhez hasonló helyzetekre tudnak folyamatosan használható, testre rögzíthető alternatívát kínálni.
A mostani megoldás lelke egy olyan ultrahangos tapasz, amit a mérnökcsapat már korábban kifejlesztett a test mélyében rejtőző szövetek és szervek vizsgálatához.
„A korábbi képalkotó tapaszunk a hosszanti hullámokat detektálja, ezúttal azonban a nyíróhullámokra (ún. shear waves) voltunk kíváncsiak, amelyek a szerv merevségéről árulkodnak” – magyarázta el Zhao. A jelenleg használatos ultrahang-elasztográfiás berendezések is ezeket a nyíróhullámokat mérik, amelyek egy adott közeg hangimpulzusokra adott válaszaként keletkeznek. (Gondoljunk csak arra, mennyire másképp pattan egy vízzel töltött lufi és egy focilabda.)
A mérnökök mindenekelőtt miniatürizálták az ultrahangos elasztográfot, hogy ráférjen egy bélyegméretű tapaszra. Mindeközben arra törekedtek, hogy megőrizzék a hagyományos kézi eszköz érzékenységét, amely általában nagyjából 128 piezoelektromos átalakítót tartalmaz. Ez az alkatrész a műszer lelke, amely a változó elektromos mezőket hanghullámokká alakítja.
„A legmodernebb gyártási technológiát vettük igénybe, hogy magas minőségű piezoelektromos anyagból miniatűr átalakítókat tudjunk kivágni. Ez tette lehetővé az eszköz méretének bélyegméretűre zsugorítását” – ismertette Zhou.
A kutatók precíziós eljárással 128 mini átalakítót gyártottak, és ezeket egy 25 négyzetmilliméteres chipre illesztették rá. A chip alját hidrogélből készült ragasztóval, egy ragadós-nyúlós víz-polimer eleggyel fedték be, amely csaknem veszteségmentesen közvetíti a hanghullámokat a készülék és a környezet között.
Előkísérleteikben a tudósok patkányokon tesztelték a keménységérzékelő tapaszt, és örömmel nyugtázták, hogy az eszköz 48 órán át folyamatosan tudta mérni az állatok májának mechanikai szilárdságát.
A tapasz által érzékelt adatok alapján világosan és egyértelműen ki lehetett következtetni az akut májelégtelenség korai jeleit, amit később szövettani vizsgálatokkal is megerősítettek.
„A májkárosodás nyomán a szerv keménysége többszörösére nő – jegyezte meg Liu. Zhao hozzátette: „Az egészséges máj olyasmi állagú, mint a lágytojás, a beteg máj viszont inkább a keménytojáshoz hasonló. Ez a tapasz képes felismerni ezt a test mélyében zajló változást, így idejében figyelmeztet a szervelégtelenség közelgő felléptére”.
Otthon is használható lenne
A csoport most klinikusokkal együttműködve úgy alakítja át a tapaszt, hogy az alkalmas legyen az intenzív osztályon szervátültetésből felépülő betegek számára. Ehhez valószínűleg nem kell túl nagy változtatás, mivel egyszerűen fel lehet ragasztani a betegek bőrére, az általa küldött és fogadott hanghullámokat pedig a tapaszhoz csatlakozó elektronika fogja fel és továbbítja olyasformán, mint egy rendelői EKG-berendezés esetében. Alkotói ugyanakkor abban bíznak, hogy az eszközt kicsit tovább variálva az egészet egy hordozható zárt rendszerré tudják alakítani: a csatlakozó elektronikát is tovább miniatürizálják, így a terv szerint a teljes készülék bele fog férni egy a mostaninál kicsivel nagyobb tapaszba. Egy ilyen tapaszt a betegek akár otthon is viselhetnének, ami lehetővé tenné a hosszabb lefolyású betegségek tartós megfigyelését. Nyomon követhető lenne például egy daganatos folyamat előrehaladása, mivel a daganatok is egyre merevebbé válnak, ahogy súlyosbodnak.
Hiszünk abban, hogy ebből nemsokára életmentő technológia lesz – szögezi le Zhao. – A jövőben az emberek csak magukra ragasztanak majd pár tapaszt, amikkel egy sor élettani paramétert mérni tudnak, és ellenőrizni tudják a létfontosságú szervek egészségi állapotát”.
