De petits autocollants à ultrasons peuvent surveiller la rigidité des organes internes

Les ingénieurs du MIT ont développé un petit autocollant à ultrasons capable de surveiller la rigidité des organes profonds du corps. L’autocollant, qui a à peu près la taille d’un timbre-poste, peut être porté sur la peau et est destiné à détecter les signes de maladies telles que l’insuffisance hépatique et rénale ainsi que la progression de tumeurs solides.

Dans une étude en libre accès qui sera publiée dans Avancées scientifiquesL’équipe rapporte que le capteur peut envoyer des ondes sonores à travers la peau et dans le corps, où les ondes se reflètent depuis les organes internes et retournent vers l’autocollant. Le motif des ondes réfléchies peut être lu comme un signe de rigidité d’un organe, que l’autocollant peut mesurer et suivre.

Si certains organes deviennent malades, ils peuvent se raidir avec le temps. Cet autocollant portable nous permet de surveiller en permanence les changements de rigidité sur de longues périodes, ce qui est essentiel pour la détection précoce d’une défaillance d’un organe interne.

Xuanhe Zhao, auteur principal de l’article, professeur de génie mécanique au MIT

L’équipe a montré que l’autocollant peut surveiller en continu la rigidité des organes pendant 48 heures et détecter des changements subtils qui pourraient indiquer la progression de la maladie. Lors d’expériences préliminaires, les chercheurs ont découvert que le capteur adhésif pouvait détecter les premiers signes d’insuffisance hépatique aiguë chez le rat.

Les ingénieurs travaillent à adapter la conception pour une utilisation sur les humains. Ils imaginent que l’autocollant pourrait être utilisé dans les unités de soins intensifs (USI), où les capteurs discrets pourraient surveiller en permanence les patients en convalescence après une greffe d’organe.

“Nous imaginons que nous pourrions coller cet autocollant sur un patient immédiatement après une greffe de foie ou de rein et observer l’évolution de la rigidité de l’organe au fil des jours”, explique l’auteur principal Hsiao-Chuan Liu. “Si une insuffisance hépatique aiguë est diagnostiquée à un stade précoce, les médecins peuvent prendre des mesures immédiates au lieu d’attendre que la maladie s’aggrave.” Liu était chercheur invité au MIT au moment de l’étude et est actuellement professeur adjoint à l’Université de Californie du Sud. .

Les co-auteurs de l’étude au MIT comprennent Xiaoyu Chen et Chonghe Wang, ainsi que des collaborateurs de l’USC.

La perception vacille

Tout comme nos muscles, les tissus et les organes de notre corps se raidissent avec l’âge. Dans certaines maladies, le raidissement des organes peut être plus prononcé, indiquant un déclin potentiellement drastique de la santé. Les médecins disposent actuellement de moyens de mesurer la rigidité d’organes tels que les reins et le foie par élastographie par ultrasons. Technique similaire à l’imagerie par ultrasons, dans laquelle un technicien passe une sonde ou une baguette portative sur la peau. La sonde envoie des ondes sonores à travers le corps, faisant vibrer légèrement les organes internes et émettant des ondes en retour. La sonde détecte les vibrations induites par un organe et le modèle de vibrations peut être traduit par la façon dont l’organe doit être bancal ou rigide.

L’élastographie par ultrasons est généralement utilisée en unité de soins intensifs pour surveiller les patients ayant récemment subi une transplantation d’organe. Les techniciens examinent régulièrement un patient peu de temps après la chirurgie pour examiner rapidement le nouvel organe et rechercher des signes de raidissement et un éventuel échec ou rejet aigu.

“Après une transplantation d’organe, les 72 premières heures passées en unité de soins intensifs sont les plus importantes”, explique un autre auteur principal, Qifa Zhou, professeur à l’USC. « Avec l’échographie traditionnelle, vous devez tenir une sonde près de votre corps. Cependant, cela n’est pas permanent et possible sur une période plus longue. Les médecins peuvent rater un moment crucial et se rendre compte trop tard que l’organe est défaillant.

L’équipe a réalisé qu’elle pouvait potentiellement offrir une alternative plus continue et portable. Leur solution s’appuie sur un autocollant à ultrasons qu’ils avaient précédemment développé pour imager les tissus et organes profonds.

“Notre autocollant d’image a capturé les ondes longitudinales, alors que cette fois nous voulions capturer les ondes de cisaillement, qui vous indiquent la rigidité de l’orgue”, explique Zhao.

Les sondes d’élastrographie par ultrasons existantes mesurent les ondes de cisaillement ou la vibration d’un organe en réponse à des impulsions sonores. Plus une onde de cisaillement se propage rapidement à travers l’orgue, plus l’orgue est interprété comme rigide. (Pensez au rebond d’un ballon d’eau par rapport à celui d’un ballon de football.)

L’équipe souhaitait miniaturiser l’élastographie par ultrasons afin qu’elle puisse tenir sur un autocollant de la taille d’un timbre-poste. Ils souhaitaient également conserver la même sensibilité que les sondes portatives commerciales, qui contiennent généralement environ 128 transducteurs piézoélectriques, chacun convertissant un champ électrique entrant en ondes sonores sortantes.

“Nous avons utilisé des techniques de fabrication avancées pour découper de petits transducteurs dans des matériaux piézoélectriques de haute qualité, ce qui nous a permis de concevoir des autocollants ultrasoniques miniaturisés”, explique Zhou.

Les chercheurs ont fabriqué avec précision 128 transducteurs miniatures, qu’ils ont installés sur une puce de 25 millimètres. Ils ont recouvert le bas de la puce d’un adhésif hydrogel. Un matériau collant et extensible fabriqué à partir d’un mélange d’eau et de polymère qui permet aux ondes sonores d’entrer et de sortir de l’appareil sans presque aucune perte.

Lors d’expériences préliminaires, l’équipe a testé l’autocollant du capteur de rigidité sur des rats. Ils ont constaté que les autocollants étaient capables de fournir des mesures continues de la rigidité du foie pendant 48 heures. À l’aide des données recueillies sur l’autocollant, les chercheurs ont identifié des signes clairs et précoces d’insuffisance hépatique aiguë, qu’ils ont ensuite confirmés à l’aide d’échantillons de tissus.

“Une fois que le foie tombe en panne, l’organe devient plusieurs fois plus rigide”, note Liu.

“Vous pouvez passer d’un foie sain, aussi fragile qu’un œuf à la coque, à un foie malade qui ressemble davantage à un œuf dur”, ajoute Zhao. “Et cet autocollant peut détecter ces différences au plus profond du corps et déclencher une alarme en cas de défaillance d’un organe.”

L’équipe travaille avec des médecins pour adapter l’autocollant afin qu’il soit utilisé sur les patients se remettant d’une greffe d’organe dans l’unité de soins intensifs. Dans ce scénario, ils ne s’attendent pas à des changements majeurs dans la conception actuelle de l’autocollant, car il peut être collé sur la peau d’un patient et toutes les ondes sonores qu’il envoie et reçoit peuvent être émises et collectées par l’électronique connectée à l’autocollant, semblable aux électrodes. et des appareils ECG dans un cabinet médical.

Les chercheurs espèrent également convertir l’autocollant en une version plus portable et autonome, avec toute l’électronique et le traitement associés miniaturisés pour tenir dans un patch légèrement plus grand. Ils imaginent alors que l’autocollant pourrait être porté par les patients à domicile pour surveiller en permanence les conditions sur de plus longues périodes, comme la progression des tumeurs solides, dont on sait qu’elles se durcissent avec l’augmentation de la gravité.

« Nous pensons qu’il s’agit d’une plate-forme technologique qui sauve des vies », déclare Zhao. « Nous pensons qu’à l’avenir, les gens pourront coller quelques autocollants sur leur corps pour mesurer de nombreux signaux vitaux et cartographier et suivre la santé d’organes importants du corps. »

Ce travail a été soutenu en partie par les National Institutes of Health.