ساخت استیکری که با چسبیدن به پوست، درون بدن را پایش می‌کند

اسکنرهای اولتراسوند که از داخل بدن تصویربرداری می‌کنند، از ابزارهای پزشکی نجات‌بخش هستند. اکنون پژوهشگران پروب اولتراسوند دستی را که معمولاً به تکنسین آموزش‌دیده نیاز دارد تا آن را روی پوست حرکت دهد، در حد تراشه‌ای مسطح به اندازه یک تمبر پستی کوچک کرده‌اند که به کمک چسب زیستی مخصوصی به پوست می‌چسبد.

دستگاه جدید می‌تواند هر بار به مدت دو روز ویدئوهای با وضوح بالا ضبط کند و فعالیت عروق خونی و قلب را حین ورزش یا حرکات معده را هنگام هضم غذا ثبت کند. ژوآنهه ژائو، مهندس مکانیک در مؤسسه فناوری ماساچوست و از نویسندگان مقاله که در مجله Science منتشر شد، درباره دستگاه توضیح می‌دهد: «حُسن این دستگاه این است که به‌طور ناگهانی می‌توانید این پروب اولتراسوند را به مدت ۴۸ ساعت به بدن بچسبانید.»

با ضبط تصاویر و ویدئوهایی از اعضای درونی بدن طی این مدت، می‌توان از این دستگاه برای تشخیص حمله قلبی و تومورهای بدخیم، آزمایش اثربخشی داروها و ارزیابی سلامت کلی قلب، ریه یا عضله استفاده کرد. ژائو می‌افزاید: «این ابزار می‌تواند چهارچوب تصویربرداری پزشکی را با ایجاد توانایی تصویربرداری مستمر طولانی‌مدت تغییر دهد و حوزه دستگاه‌های پوشیدنی را نیز متحول کند.»

اسکنرهای اولتراسوند مرسوم ازنظر بررسی زیر پوست بدون آسیب‌زدن به بدن عالی هستند، اما دسترسی به چنین اسکن‌هایی محدود است. نانشو لو، مهندس مکانیک در دانشگاه تگزاس در آستین که در پژوهش جدید مشارکت نداشت اما از نویسندگان تجزیه‌و‌تحلیل مرتبطی است که در مجله ساینس منتشر شد، می‌گوید:

اولتراسوند دستی مرسوم به تکنسین‌های مجرب نیاز دارد تا پروب را به درستی روی پوست قرار دهند و مقداری ژل مایع را بین پوست و پروب استفاده کنند. همان‌طورکه می‌توان تصور کرد، این کار بسیار خسته‌کننده، کوتاه‌مدت و محدود است. ازآنجا که این اسکنرها به اپراتور انسانی با تجربه نیاز دارند، گران هستند و نمی‌توان از آن‌ها در آزمایش‌هایی استفاده کرد که افراد مورد بررسی درحال ورزش هستند یا بدنشان تحت استرس گرمایی یا محیط‌های دارای شرایط سخت قرار می‌گیرد. اولتراسوندهای معمولی محدودیت‌های زیادی دارند. اگر بتوانیم حسگرهای اولتراسوند را به شکل ابزارهای پوشیدنی، متحرک و دردسترس درآوریم، امکانات جدیدی ایجاد خواهد شد.

پژوهشگران دیگر نیز تلاش کرده‌اند تا پچ‌های اولتراسوند چسبیدنی را بسازند. اما دستگاه‌های قبلی به‌منظور چسبیدن به پوست نرم و کشسان، به گونه‌ای طراحی شده بودند که خودشان نیز حالت انعطاف‌پذیر داشته باشند. این امر موحب کاهش کیفیت تصویر می‌شد، زیرا دستگاه نمی‌توانست تعداد زیادی مبدل را در خود جای دهد. منظور از مبدل واحدهایی است که در این مورد نیروی الکتریکی را به امواج صوتی با فرکانس‌های بسیار بالا تبدیل می‌کند که گوش انسان نمی‌تواند آن را تشخیص دهد.

پروب اولتراسوند امواج فراصوت را ازطریق لایه‌ای از ژل چسبناک به بدن انسان می‌فرستد. امواج پس از برخورد به اعضا و ساختارهای درونی دیگر منعکس می‌شوند و سپس به آرایه مبدل برمی‌گردند. آرایه امواج مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند و آن‌ها را به رایانه‌ای می‌فرستد تا به تصویر تبدیل شود. هرچه تعداد مبدل‌ها بیشتر باشد، کیفیت تصویر بهتر می‌شود.

فیلیپ تان، مهندس برق و دانشجوی آزمایشگاه لو توضیح می‌دهد: «این دستگاه شبیه دوربین عمل می‌کند.» یک پروب اولتراسوند چسبنده کشش‌پذیر که باید بتواند هنگام حرکت پوست، خم شود، نمی‌تواند تعداد زیادی مبدل را در آرایه جای دهد و حین حرکت کاربر، پیکربندی مبدل‌ها تغییر می‌کند و گرفتن تصاویر پایدار دشوار می‌شود.

ژائو و تیمش به‌جای اینکه خود دستگاه را انعطاف‌پذیر بسازند، پروب انعطاف‌ناپذیری را که فقط سه میلی‌متر ضخامت داشت، به لایه چسب انعطاف‌پذیری چسباندند. چسب جایگزین مایع چسبناکی می‌شود که بین دسته اولتراسوند و پوست قرار می‌گیرد و ترکیبی از پلیمر غنی از آبی به نام هیدروژل و ماده لاستیک‌مانندی به نام الاستومر است.

ژائو می‌گوید: «این تکه‌ای هیدروژل جامد است که بیش از ۹۰ درصد آب دارد، اما حالت ژله‌مانند دارد. ما سطح ژل را با غشای بسیار نازکی از الاستومر می‌پوشانیم تا آب درون ژل تبخیر نشود.» این چسب زیستی نه‌تنها پروب را به مدت ۴۸ ساعت به‌طور محکم به پوست می‌چسباند، بلکه لایه محافظی ایجاد می‌کند که از قطعات الکترونیکی انعطاف‌ناپذیر دربرابر خم‌شدن پوست و عضلات محافظت می‌کند.

تیم ژائو برای تصویربرداری از سیستم‌های مختلف بدن، نسخه‌هایی از پروب را آزمایش کردند که امواجی با فرکانس‌های مختلف تولید می‌کنند و بنابراین به اعماق مختلفی در بدن نفوذ می‌کنند. برای مثال، فرکانس بالایی مانند ۱۰ مگاهرتز ممکن است تا چند سانتی‌متری زیر پوست برسد. پژوهشگران از این فرکانس برای ثبت عملکرد عروق خونی و عضلات افراد حین تغییر حالت از نشسته به ایستاده یا حین ورزش شدید استفاده کردند.

فرکانس پایین‌تر ۳ مگاهرتز به حدود شش سانتی‌متری زیر سطح پوست نفوذ می‌کند و فعالیت اندام‌های داخلی را ثبت می‌کند. پژوهشگران با استفاده از این فرکانس از چهار حفره قلب یک فرد و نیز از حرکت معده یک فرد هنگام خوردن آب میوه تصویربرداری کردند.

پژوهشگران همچنین تصاویر ثبت‌شده با پروب اولتراسوند انعطاف‌ناپذیر خود را با تصاویر حاصل از دستگاه اولتراسوند انعطاف‌پذیر مقایسه کردند. ژائو می‌گوید: «وضوح تصاویر دستگاه ما تقریباً ده برابر بالاتر از وضوح تصویر حاصل از اولتراسوند انعطاف‌پذیر است.»

دستگاه تصویربرداری که به‌طور پیوسته بر بخش‌های خاصی از بدن نظارت دارد، می‌تواند برای نظارت و تشخیص بیماری‌های مختلف به کار رود. پزشکان می‌توانند رشد تومور را در طول زمان تحت‌نظر داشته باشند. افرادی که درمعرض خطر فشار خون بالا قرار دارند، ممکن است برای اندازه‌گیری فشار خون خود پچ اولتراسوندی بپوشند که در صورت افزایش فشار خون به آن‌ها هشدار می‌دهد یا می‌تواند نشان دهد که آیا دارویی مؤثر است یا نه.

بیمار مبتلا به کووید می‌تواند در خانه بماند و بداند که اگر بیماری او موجب عفونت ریه شدیدی شد که به بستری نیاز داشت، دستگاه تصویربردار به او هشدار می‌دهد. اما شاید مهم‌ترین کاربرد چنین دستگاهی می‌تواند تشخیص حملات قلبی باشد. ژائو می‌گوید: «بیماری‌های قلبی‌عروقی در سراسر دنیا علت اصلی مرگ‌و‌میر هستند.»

نظارت بر سلامت قلب از موارد موردتوجه سایر توسعه‌دهندگان دستگاه‌های پوشیدنی است. برای مثال ساعت‌های هوشمندی مانند اپل واچ می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی را که نشان‌دهنده فعالیت قلب هستند، به کمک الکتروکاردیوگرام (ECG یا EKG) دنبال کنند. این اطلاعات می‌تواند حداقل در برخی موارد برای تشخیص حملات قلبی مورد استفاده قرار گیرد.

ژائو می‌گوید: «مطالعاتی وجود دارد که نشان می‌دهد EKG می‌تواند فقط حدود ۲۰ درصد از حمله‌های قلبی را تشخیص دهد. تشخیص بیشتر حملات قلبی به روش‌های تصویربرداری مانند تصویربرداری اولتراسوند نیاز دارد.»

تصویربرداری مداوم از قلب بیمار می‌تواند علائم او را ثبت کند و امکان تشخیص زودهنگام را فراهم کند. تان می‌گوید: «مزیت مهم دستگاه جدید این است که انواع جدیدی از تشخیص‌های پزشکی را ممکن می‌سازد که در شرایط ثابت نمی‌توان به آن‌ها دست پیدا کرد.» برای مثال، برای ارزیابی سلامت قلب اندازه‌گیری فعالیت قلب حین ورزش مفید است، اما نگه داشتن دسته دستگاه اولتراسوند درمقابل قفسه سینه چسبناک فردی که درحال دویدن است، دشوار است. تان می‌افزاید: «با پچ اولتراسوند پوشیدنی که در آن مجبور نیستید مبدل را روی بدن فرد نگه دارید، می‌توانید تصاویر باکیفیتی از قلب حتی حین حرکت به دست آورید.»

دستگاه زیست‌چسب پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست هنوز برای استفاده آماده نیست. یکی از دلایل آن است که این دستگاه هنوز باید به‌طور فیزیکی به رایانه متصل شود تا بتوانند داده‌هایی را که پروب تولید می‌کند، جمع‌آوری و تجزیه‌و‌تحلیل کند. ژائو می‌گوید: «پروب را به کمک سیم به سیستم دریافت داده متصل می‌کنیم. اما گروه من به‌شدت تلاش می‌کند تا همه اجزا را کوچک کند و در یک دستگاه بی‌سیم ادغام کند.»

ژائو قصد دارد درنهایت پچ را با منبع تغذیه کوچک و سیستم انتقال داده بی‌سیم ارتقا دهد. لو و تان موافقند که این هدف عملی است، چراکه کوچک شدن قطعات الکترونیکی و روش‌های تولید خاص به این ویژگی‌ها اجازه می‌دهد تا در قالب «اولتراسوند روی یک تراشه» با هم ترکیب شوند. لو می‌گوید اگر این حوزه بتواند سرمایه‌گذاری دولتی و خصوصی را جذب کند، چنین دستگاهی می‌تواند در عرض پنج سال به مرحله استفاده برسد.

درنهایت، استیکرهای اولتراسوند می‌توانند به صف پوشیدنی‌هایی بپیوندند که سلامت انسان را نظارت می‌کنند. درحال‌حاضر، دستگاه‌هایی وجود دارند که اطلاعات مرتبط با ضربان قلب، کیفیت خواب و حتی استرس را جمع‌آوری می‌کنند. لو می‌گوید:

بدن ما داده‌های بسیار شخصی، مستمر، گسترده و چندوجهی را درمورد سلامتی، عواطف، توجه، آمادگی و موارد دیگر منتشر می‌کند. بنابراین، ما پر از داده هستیم. سوالی که وجود دارد این است که چگونه آن‌ها را به‌طور مستمر و قابل‌اطمینان به دست آوریم.