(Ictus-Immagine: questo cerotto morbido ed elastico utilizza gli ultrasuoni per monitorare il flusso sanguigno verso organi come il cuore e il cervello. Credito:
Gli ingegneri dell’Università della California di San Diego hanno sviluppato un cerotto ad ultrasuoni morbido ed elastico che può essere indossato sulla pelle per monitorare il flusso sanguigno attraverso le principali arterie e vene in profondità all’interno del corpo di una persona.
Sapere quanto velocemente e quanto sangue scorre attraverso i vasi sanguigni di un paziente è importante perché può aiutare i medici a diagnosticare varie condizioni cardiovascolari, inclusi coaguli di sangue, problemi alle valvole cardiache, cattiva circolazione negli arti o blocchi nelle arterie che potrebbero portare a ictus o infarti.
Il nuovo cerotto a ultrasuoni sviluppato presso la UC San Diego può monitorare continuamente il flusso sanguigno, nonché la pressione sanguigna e la funzione cardiaca, in tempo reale. Indossare un dispositivo del genere potrebbe facilitare l’identificazione precoce dei problemi cardiovascolari.
Un team guidato da Sheng Xu, Professore di nanoingegneria presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego, ha riportato lo sviluppo del patch in un articolo pubblicato il 16 luglio su Nature Biomedical Engineering.
Il cerotto può essere indossato sul collo o sul petto. La particolarità del cerotto è che può rilevare e misurare segnali cardiovascolari fino a 14 centimetri all’interno del corpo in modo non invasivo. E può farlo con elevata precisione.
“Questo tipo di dispositivo indossabile può darti un’immagine più completa e più accurata di ciò che sta accadendo nei tessuti profondi e negli organi critici come il cuore e il cervello, tutto dalla superficie della pelle”, ha affermato Xu.
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“Rilevare segnali a tali profondità è estremamente impegnativo per l’elettronica indossabile. Eppure, è qui che sono sepolti i segnali più critici del corpo e gli organi centrali”, ha affermato Conghe Wang, un ex studente laureato in nanoingegneria nel laboratorio di Xu e co-primo autore del studio. “Abbiamo progettato un dispositivo indossabile in grado di penetrare in profondità tissutali così profonde e di percepire quei segnali vitali molto al di sotto della pelle”.
Un’altra caratteristica innovativa del cerotto è che il raggio ultrasonico può essere inclinato a diverse angolazioni e indirizzato verso aree del corpo che non sono direttamente sotto il cerotto.“Questo è il primo cerotto con questra capacità nel campo dei dispositivi indossabili”, ha spiegato Xu, “perché i sensori indossabili esistenti in genere monitorano solo le aree proprio sotto di loro. Se vuoi rilevare i segnali in una posizione diversa, devi spostare il sensore in quella posizione. Con questo patch, possiamo sondare aree più ampie e questo può aprire molte opportunità”.
Come funziona
Il cerotto è costituito da un sottile foglio di polimero flessibile ed estensibile che aderisce alla pelle. Incorporato sul cerotto c’è una serie di trasduttori a ultrasuoni di dimensioni millimetriche. Ciascuno è controllato individualmente da un computer: questo tipo di array è noto come array a ultrasuoni a fasi. È una parte fondamentale della tecnologia perché dà al patch la capacità di andare più in profondità e avere una visione più ampia.
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Il phased array offre due principali modalità di funzionamento. In una modalità, tutti i trasduttori possono essere sincronizzati per trasmettere onde ultrasoniche insieme, producendo un fascio di ultrasuoni ad alta intensità che si concentra su un punto profondo fino a 14 centimetri nel corpo. Nell’altra modalità, i trasduttori possono essere programmati per trasmettere fuori sincrono, il che produce fasci di ultrasuoni che possono essere guidati a diverse angolazioni.
“Con la tecnologia phased array, possiamo manipolare il fascio di ultrasuoni nel modo che vogliamo”, ha affermato Muyang Lin, un dottorato di ricerca in nanoingegneria. studente alla UC San Diego che è anche uno dei primi autori dello studio. “Ciò offre al nostro dispositivo molteplici funzionalità: monitoraggio degli organi centrali e del flusso sanguigno, ad alta risoluzione. Ciò non sarebbe possibile utilizzando un solo trasduttore“.
Il phased array è costituito da una griglia 12×12 di trasduttori a ultrasuoni. Quando l’elettricità scorre attraverso i trasduttori, questi vibrano ed emettono onde ultrasoniche che viaggiano attraverso la pelle e in profondità nel corpo. Quando le onde ultrasoniche penetrano attraverso un vaso sanguigno principale, incontrano il movimento dei globuli rossi che fluiscono all’interno. Questo movimento cambia o sposta il modo in cui le onde ultrasoniche ritornano al cerotto, un effetto noto come spostamento di frequenza Doppler. Questo spostamento nei segnali riflessi viene rilevato dal cerotto e viene utilizzato per creare una registrazione visiva del flusso sanguigno. Questo stesso meccanismo può essere utilizzato anche per creare immagini in movimento delle pareti del cuore.
Un potenziale punto di svolta nella clinica
Per molte persone, il flusso sanguigno non è qualcosa che viene misurato durante una visita regolare dal medico. Di solito viene valutato dopo che un paziente mostra alcuni segni di problemi cardiovascolari o se un paziente è ad alto rischio.
Lo stesso esame del flusso sanguigno standard può richiedere molto tempo e molto lavoro. Un tecnico esperto preme una sonda a ultrasuoni portatile contro la pelle di un paziente e la sposta da un’area all’altra finché non si trova direttamente sopra un vaso sanguigno principale. Questo può sembrare semplice, ma i risultati possono variare tra i test e i tecnici.
“Poiché il patch è semplice da usare, potrebbe risolvere questi problemi”, ha affermato Sai Zhou, Dottore in scienze dei materiali e ingegneria, ex studente alla UC San Diego e coautore dello studio. “Basta incollarlo sulla pelle, quindi leggere i segnali. Non dipende dall’operatore e non comporta alcun lavoro o onere aggiuntivo per tecnici, medici o pazienti”, ha affermato. “In futuro, i pazienti a rischio di ictus o infarto, potrebbero indossare qualcosa di simile per il monitoraggio continuo a casa”.
Nei test, il cerotto ha funzionato così come una sonda ecografica utilizzata nella clinica. Ha registrato con precisione il flusso sanguigno nei principali vasi sanguigni come l’arteria carotide, che è un’arteria nel collo che fornisce sangue al cervello. Avere la capacità di monitorare i cambiamenti in questo flusso potrebbe, ad esempio, aiutare a identificare se una persona è a rischio di ictus molto prima dell’insorgenza dei sintomi.
I ricercatori sottolineano che il cerotto ha ancora molta strada da fare prima di essere pronto per la clinica. Attualmente, per funzionare, ha bisogno di essere collegato a una fonte di alimentazione e a una macchina da banco. Il team di Xu sta lavorando per integrare tutta l’elettronica sul patch per renderla wireless.
