การถ่ายภาพอัลตราซาวนด์เป็นหน้าต่างที่ปลอดภัยและไม่รุกล้ำเข้าสู่การทำงานของร่างกาย ทำให้แพทย์ได้ภาพอวัยวะภายในของผู้ป่วย ในการจับภาพเหล่านี้ ช่างเทคนิคที่ผ่านการฝึกอบรมจะใช้ไม้กายสิทธิ์และเครื่องตรวจอัลตราซาวนด์เพื่อนำคลื่นเสียงเข้าสู่ร่างกาย คลื่นเหล่านี้สะท้อนกลับออกมาเพื่อสร้างภาพความละเอียดสูงของหัวใจ ปอด และอวัยวะส่วนลึกอื่นๆ ของผู้ป่วย
ปัจจุบันการถ่ายภาพด้วยอัลตราซาวนด์ต้องใช้อุปกรณ์ขนาดใหญ่และพิเศษเฉพาะในโรงพยาบาลและสำนักงานแพทย์เท่านั้น แต่การออกแบบใหม่โดยวิศวกรของ MIT อาจทำให้เทคโนโลยีนี้สวมใส่ได้และเข้าถึงได้เหมือนกับการซื้อ Band-Aids ที่ร้านขายยา
ในบทความที่ปรากฏในวารสาร Science วันนี้ วิศวกรได้นำเสนอการออกแบบสติกเกอร์อัลตราซาวนด์ใหม่ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ขนาดเท่าแสตมป์ที่เกาะติดกับผิวหนังและสามารถให้ภาพอัลตราซาวนด์ของอวัยวะภายในอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 48 ชั่วโมง
นักวิจัยใช้สติกเกอร์กับอาสาสมัครและแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ดังกล่าวสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงของหลอดเลือดที่สำคัญและอวัยวะส่วนลึก เช่น หัวใจ ปอด และกระเพาะอาหารที่มีความละเอียดสูง สติกเกอร์ยังคงยึดเกาะได้ดีและจับการเปลี่ยนแปลงในอวัยวะที่อยู่เบื้องล่างขณะที่อาสาสมัครทำกิจกรรมต่างๆ รวมถึงการนั่ง ยืน วิ่งเหยาะๆ และขี่จักรยาน
การออกแบบในปัจจุบันจำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อสติกเกอร์กับเครื่องมือที่แปลคลื่นเสียงที่สะท้อนออกมาเป็นภาพ นักวิจัยชี้ให้เห็นว่าแม้ในรูปแบบปัจจุบัน สติกเกอร์สามารถนำไปใช้ได้ทันที: ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์สามารถนำไปใช้กับผู้ป่วยในโรงพยาบาล คล้ายกับสติกเกอร์ EKG ที่ตรวจหัวใจ และสามารถถ่ายภาพอวัยวะภายในอย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องใช้ช่างเทคนิค เพื่อยึดหัววัดไว้เป็นเวลานาน
หากอุปกรณ์ดังกล่าวสามารถทำงานแบบไร้สายได้ ซึ่งเป็นเป้าหมายที่ทีมกำลังดำเนินการอยู่ในขณะนี้ สติ๊กเกอร์อัลตราซาวนด์สามารถทำเป็นผลิตภัณฑ์เกี่ยวกับการถ่ายภาพแบบสวมใส่ได้ ซึ่งผู้ป่วยสามารถนำกลับบ้านได้จากสำนักงานแพทย์ หรือแม้แต่ซื้อที่ร้านขายยา
Xuanhe Zhao ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและโยธา กล่าวว่า “เรามองเห็นแผ่นแปะบางตัวที่ยึดตามตำแหน่งต่างๆ ในร่างกาย และแผ่นแปะจะสื่อสารกับโทรศัพท์มือถือของคุณ โดยที่อัลกอริธึม AI จะวิเคราะห์ภาพตามต้องการ” Xuanhe Zhao ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าว วิศวกรรมสิ่งแวดล้อมที่ MIT “เราเชื่อว่าเราได้เปิดศักราชใหม่ของการถ่ายภาพที่สวมใส่ได้: ด้วยรอยปะบนร่างกายของคุณ คุณสามารถมองเห็นอวัยวะภายในของคุณได้”
การศึกษายังรวมถึงผู้เขียนนำ Chonghe Wang และ Xiaoyu Chen และผู้เขียนร่วม Liu Wang, Mitsutoshi Makihata และ Tao Zhao ที่ MIT พร้อมด้วย Hsiao-Chuan Liu จาก Mayo Clinic ใน Rochester รัฐมินนิโซตา
เล่นวีดีโอ
ปัญหาติดหนึบ
ในการถ่ายภาพด้วยอัลตราซาวนด์ ช่างเทคนิคก่อนจะใช้เจลเหลวกับผิวหนังของผู้ป่วย ซึ่งทำหน้าที่ส่งคลื่นอัลตราซาวนด์ จากนั้นโพรบหรือทรานสดิวเซอร์จะถูกกดลงบนเจล โดยส่งคลื่นเสียงเข้าสู่ร่างกายที่สะท้อนโครงสร้างภายในและกลับไปยังโพรบ โดยสัญญาณที่สะท้อนจะถูกแปลเป็นภาพที่มองเห็นได้
สำหรับผู้ป่วยที่ต้องการการถ่ายภาพเป็นเวลานาน โรงพยาบาลบางแห่งมีโพรบติดอยู่กับแขนหุ่นยนต์ที่สามารถยึดทรานสดิวเซอร์ให้อยู่กับที่โดยไม่เมื่อยล้า แต่เจลอัลตราซาวนด์เหลวจะไหลออกไปและแห้งเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งขัดขวางการถ่ายภาพในระยะยาว
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้สำรวจการออกแบบสำหรับโพรบอัลตราซาวนด์แบบยืดหดได้ ซึ่งจะให้การถ่ายภาพอวัยวะภายในแบบพกพาที่มีรายละเอียดต่ำ การออกแบบเหล่านี้ให้อาร์เรย์ที่ยืดหยุ่นของทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์ขนาดเล็ก แนวคิดก็คืออุปกรณ์ดังกล่าวจะยืดและสอดคล้องกับร่างกายของผู้ป่วย
แต่การออกแบบทดลองเหล่านี้ได้ผลิตภาพความละเอียดต่ำ ส่วนหนึ่งเนื่องจากการยืดออก: ในการเคลื่อนย้ายกับร่างกาย ทรานสดิวเซอร์จะเลื่อนตำแหน่งที่สัมพันธ์กัน ซึ่งทำให้ภาพที่ได้บิดเบี้ยว
“เครื่องมือสร้างภาพอัลตราซาวนด์ที่สวมใส่ได้จะมีศักยภาพมหาศาลในอนาคตของการวินิจฉัยทางคลินิก อย่างไรก็ตาม ความละเอียดและระยะเวลาในการถ่ายภาพของแผ่นแปะอัลตราซาวนด์ที่มีอยู่นั้นค่อนข้างต่ำ และพวกเขาไม่สามารถถ่ายภาพอวัยวะส่วนลึกได้” Chonghe Wang ซึ่งเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ MIT กล่าว
รูปลักษณ์ภายใน
สติกเกอร์อัลตราซาวนด์ใหม่ของทีมงาน MIT ให้ภาพที่มีความละเอียดสูงขึ้นในระยะเวลานานขึ้นโดยการจับคู่ชั้นกาวที่ยืดออกกับอาร์เรย์ของทรานสดิวเซอร์ที่มีความแข็ง “การผสมผสานนี้ช่วยให้อุปกรณ์สามารถปรับให้เข้ากับผิวได้ในขณะที่ยังคงตำแหน่งสัมพัทธ์ของทรานสดิวเซอร์เพื่อสร้างภาพที่ชัดเจนและแม่นยำยิ่งขึ้น” วังพูดว่า.
ชั้นกาวของอุปกรณ์นี้ทำจากอีลาสโตเมอร์บางๆ สองชั้นที่ห่อหุ้มชั้นกลางของไฮโดรเจลที่เป็นของแข็ง ซึ่งเป็นวัสดุที่มีน้ำเป็นส่วนใหญ่ซึ่งส่งคลื่นเสียงได้ง่าย ไฮโดรเจลของทีม MIT นั้นไม่เหมือนกับเจลอัลตราซาวนด์ทั่วไป ยืดหยุ่นและยืดหยุ่นได้
“อีลาสโตเมอร์ช่วยป้องกันการคายน้ำของไฮโดรเจล” Chen, postdoc ของ MIT กล่าว “เฉพาะเมื่อไฮโดรเจลมีความชุ่มชื้นสูงเท่านั้นที่สามารถคลื่นเสียงแทรกซึมได้อย่างมีประสิทธิภาพและให้ภาพอวัยวะภายในที่มีความละเอียดสูง”
ชั้นอีลาสโตเมอร์ด้านล่างได้รับการออกแบบมาให้ยึดติดกับผิวหนัง ในขณะที่ชั้นบนสุดจะยึดติดกับทรานสดิวเซอร์แบบแข็งซึ่งทีมออกแบบและประดิษฐ์ด้วย สติกเกอร์อัลตราซาวนด์ทั้งหมดมีขนาดประมาณ 2 ตารางเซนติเมตรและหนา 3 มิลลิเมตร – เกี่ยวกับพื้นที่ของแสตมป์
นักวิจัยได้ใช้สติกเกอร์อัลตราซาวนด์ผ่านการทดสอบแบตเตอรี่กับอาสาสมัครที่มีสุขภาพดี ซึ่งติดสติกเกอร์บนส่วนต่างๆ ของร่างกาย รวมทั้งคอ หน้าอก หน้าท้อง และแขน สติกเกอร์ติดอยู่กับผิวหนัง และสร้างภาพที่ชัดเจนของโครงสร้างที่อยู่เบื้องล่างได้นานถึง 48 ชั่วโมง ในช่วงเวลานี้ อาสาสมัครได้ทำกิจกรรมต่างๆ ในห้องแล็บ ตั้งแต่นั่งและยืน ไปจนถึงจ็อกกิ้ง ปั่นจักรยาน และยกน้ำหนัก
จากภาพสติกเกอร์ ทีมงานสามารถสังเกตการเปลี่ยนเส้นผ่านศูนย์กลางของหลอดเลือดใหญ่เมื่อนั่งกับยืน สติกเกอร์ยังบันทึกรายละเอียดของอวัยวะส่วนลึก เช่น หัวใจเปลี่ยนรูปร่างอย่างไรเมื่อออกแรงระหว่างออกกำลังกาย นักวิจัยยังสามารถสังเกตอาการท้องอืดท้องเฟ้อ จากนั้นหดกลับเมื่ออาสาสมัครดื่มแล้วขับน้ำผลไม้ออกจากระบบในเวลาต่อมา และในขณะที่อาสาสมัครบางคนยกน้ำหนัก ทีมงานสามารถตรวจจับรูปแบบที่สดใสในกล้ามเนื้อที่อยู่ข้างใต้ ซึ่งส่งสัญญาณถึงความเสียหายระดับจุลภาคชั่วคราว
“ด้วยการถ่ายภาพ เราอาจสามารถจับภาพช่วงเวลาในการออกกำลังกายก่อนที่จะใช้มากเกินไป และหยุดก่อนที่กล้ามเนื้อจะเจ็บ” เฉินกล่าว “เราไม่รู้ว่าช่วงเวลานั้นอาจจะยังเกิดขึ้นได้ แต่ตอนนี้เราสามารถให้ข้อมูลภาพที่ผู้เชี่ยวชาญสามารถตีความได้”
ทีมงานกำลังทำงานเพื่อให้สติกเกอร์ทำงานแบบไร้สาย พวกเขายังกำลังพัฒนาอัลกอริธึมซอฟต์แวร์โดยใช้ปัญญาประดิษฐ์ที่สามารถตีความและวิเคราะห์รูปภาพของสติกเกอร์ได้ดียิ่งขึ้น จากนั้น Zhao วาดภาพสติกเกอร์อัลตราซาวนด์ที่สามารถบรรจุและซื้อโดยผู้ป่วยและผู้บริโภค และไม่เพียงใช้เพื่อตรวจสอบอวัยวะภายในต่างๆ แต่ยังรวมถึงความก้าวหน้าของเนื้องอก ตลอดจนการพัฒนาของทารกในครรภ์ด้วย
“เราคิดว่าเราสามารถมีกล่องสติกเกอร์ ซึ่งแต่ละกล่องได้รับการออกแบบมาเพื่อสร้างภาพตำแหน่งต่างๆ ของร่างกาย” Zhao กล่าว “เราเชื่อว่าสิ่งนี้แสดงถึงความก้าวหน้าของอุปกรณ์สวมใส่และการถ่ายภาพทางการแพทย์”
งานวิจัยชิ้นนี้ได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนจาก MIT สำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงด้านกลาโหม มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ สถาบันสุขภาพแห่งชาติ และสำนักงานวิจัยกองทัพสหรัฐฯ ผ่านสถาบันเทคโนโลยีนาโนของทหารที่ MIT
