Deze pleister kijkt in het lichaam

Beeld: De ultrasone pleister vastgeplakt aan de huid. Credit: Wang et al.

Ultrasone scanners die de binnenkant van het menselijk lichaam in beeld brengen, zijn een levensreddend medisch hulpmiddel. Onderzoekers hebben nu de draagbare ultrasone sonde - die meestal een goed opgeleide technicus vereist om over de huid te bewegen - teruggebracht tot een platte chip ter grootte van een postzegel, die met een speciale biokleefstof op de huid wordt geplakt. Het nieuwe apparaat kan twee dagen lang video's met hoge resolutie maken van het hart en de bloedvaten die zwoegen tijdens het sporten of van de maag die uitzet en krimpt wanneer proefpersonen sap drinken en verteren.

‘Het mooie hiervan is dat je deze ultrasone sonde, deze dunne ultrasone luidspreker, 48 uur lang aan het lichaam kunt bevestigen’, zegt Xuanhe Zhao, werktuigbouwkundig ingenieur aan het Massachusetts Institute of Technology en co-auteur van een artikel in Science waarin het nieuwe apparaat is beschreven. Door gedurende deze periode foto's en video's van interne organen op te nemen, zou een draagbaar beeldvormingsapparaat kunnen worden gebruikt om hartaanvallen en kwaadaardige tumoren te diagnosticeren, de effectiviteit van medicijnen te testen en de algemene gezondheid van hart, longen of spieren te beoordelen. ‘Dit kan de medische beeldvorming veranderen door langdurige continue beeldvorming mogelijk te maken’, voegt Zhao eraan toe, ‘en het kan het veld van draagbare apparaten veranderen.’

Close-up van de ultrasone pleister. Credit: Felice Frankel

Traditionele echografie is zeer geschikt om onder de huid te kijken zonder schade aan het lichaam toe te brengen, maar de toegang tot dergelijke scans is beperkt. ‘De conventionele draagbare echografie vereist goed opgeleide technici om de sonde goed op de huid te plaatsen en wat vloeibare gel aan te brengen tussen de sonde en de huid’, zegt Nanshu Lu, mechanisch ingenieur aan de Universiteit van Texas in Austin, die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek, maar een begeleidende analyse schreef in Science. ‘En zoals je je kunt voorstellen, is het heel kortdurend en zeer beperkt.’ Omdat ze een ervaren menselijke operator vereisen, legt Lu uit, zijn deze scans duur, en ze kunnen niet worden gebruikt in tests waarbij de proefpersoon sport of zijn lichaam onder stress zet door hitte of extreme omgevingen. ‘Conventionele echografie heeft veel beperkingen’, zegt ze. ‘Als we echosensoren draagbaar, mobiel en toegankelijk kunnen maken, opent dat een heleboel nieuwe mogelijkheden.’

Dankzij hun potentiële veelzijdigheid hebben ook andere onderzoekers geprobeerd om ultrasone pleisters te maken. Maar om zich te kunnen hechten aan een zachte, rekbare huid, ontwierpen ze apparaten die zelf rekbaar te zijn. Deze vormfactor verzwakte de beeldkwaliteit omdat er niet genoeg ‘transducers’ in konden worden geplaatst - eenheden die in dit geval elektrische energie omzetten in geluidsgolven met frequenties die te hoog zijn om waar te nemen met het menselijke oor. Een ultrageluidsonde stuurt deze golven door een laag kleverige gel het menselijk lichaam in, waar zij weerkaatsen op organen en andere inwendige structuren en vervolgens terugkeren naar de transducers. Deze zet de mechanische golven terug om in elektrische signalen en stuurt deze naar een computer voor vertaling in beelden. Hoe meer transducers, hoe beter de beeldkwaliteit.

Vergelijking van een conventionele ultrageluidsonde met gel en de ultrasone pleister. Credit: Wang et al.

‘Het lijkt erg op een camera’, vertelt Philip Tan, elektrotechnisch ingenieur en afgestudeerd aan Lu's lab aan de U.T. Austin, die ook niet betrokken was bij de nieuwe studie maar wel meeschreef aan het analysestuk. Een rekbare echosonde, die bij elke beweging van de huid moet kunnen buigen, kan niet zoveel transducers tellen. En als de drager beweegt, verschuift de configuratie van de transducers en wordt het moeilijk om stabiele beelden vast te leggen.

In plaats van het apparaat zelf rekbaar te maken, bevestigden Zhao en zijn team een rigide sonde van drie millimeter dik op een flexibele kleeflaag. Deze kleefstof vervangt de kleverige vloeistof die tussen een traditionele ultrasone staaf en de huid wordt aangebracht, en is een hybride van een waterrijk polymeer - een hydrogel - en een rubberachtig materiaal – een elastomeer. ‘Het is een stuk vaste hydrogel dat meer dan 90 procent water bevat, maar het is in vaste toestand zoals pudding’, zegt Zhao. ‘We bedekken het oppervlak van deze pudding met dit zeer dunne membraan van elastomeer, zodat het water in de pudding er niet uit verdampt.’ Deze biolijm kleeft de sonde niet alleen 48 uur lang stevig aan de huid, maar zorgt ook voor een dempende laag die de rigide elektronica beschermt tegen het buigen van huid en spieren.

De biolijm kleeft de sonde 48 uur lang aan de huid en beschermt de elektronica tegen het buigen van huid en spieren. Credit: Wang et al.

Om verschillende lichaamssystemen af te beelden, testte Zhao's team versies van de sonde die golven met verschillende frequenties produceren en zo het lichaam tot op verschillende dieptes doordringen. Een hoge frequentie zoals 10 megahertz zou bijvoorbeeld tot enkele centimeters onder de huid kunnen doordringen. De onderzoekers gebruikten deze frequentie om de werking van bloedvaten en spieren vast te leggen, wanneer de proefpersonen gingen zitten en weer rechtstonden, of wanneer ze zich zwaar inspanden. Een lagere frequentie van drie megahertz gaat dieper, ongeveer zes centimeter, om inwendige organen vast te leggen. Met deze frequentie brachten de onderzoekers de vier kamers van het hart van een proefpersoon in beeld, en registreerden zij hoe de maag van een andere proefpersoon leegliep nadat het een paar glazen sap had verwerkt. De onderzoekers vergeleken ook de beelden die ze met hun rigide ultrasone sonde hadden verzameld met de beelden die waren gemaakt met een rekbaar ultrasoon apparaat, zegt Zhao. ‘Je kunt zien dat de resolutie van de onze bijna een orde van grootte [10 keer] hoger is dan die van het rekbare ultrasone apparaat’, voegt hij eraan toe.

Een beeldvormingsapparaat dat specifieke delen van het lichaam continu in de gaten houdt, kan worden gebruikt voor het monitoren en diagnosticeren van een verscheidenheid aan aandoeningen. Artsen zouden de groei van een tumor in de tijd nauwlettend in de gaten kunnen houden. Iemand met een hoog risico op hypertensie zou een echopleister kunnen dragen om zijn hoge bloeddruk te meten, om hem te waarschuwen als de druk piekt, of om te kijken of een medicijn werkt. Een covid-patiënt zou thuis kunnen blijven, wetende dat een beeldvormingsapparaat hem zou waarschuwen als zijn ziekte een longinfectie veroorzaakt die ernstig genoeg is om opname in het ziekenhuis te vereisen. Misschien wel de belangrijkste toepassing zou kunnen zijn in de detectie en diagnose van hartaanvallen. ‘Hart- en vaatziekten zijn de belangrijkste doodsoorzaak in de hele wereld’, zegt Zhao.

Hartgezondheid staat op de radar van andere ontwikkelaars van draagbare apparaten. Slimme horloges zoals de Apple Watch zijn bijvoorbeeld in staat om de elektrische signalen te volgen die de hartactiviteit aangeven met een zogenaamd elektrocardiogram (ECG of EKG). Dit kan worden gebruikt om hartaanvallen te diagnosticeren - althans in sommige gevallen. ‘Er zijn al studies die aantonen dat een EKG slechts bij ongeveer 20 procent van de hartaanvallen een diagnose kan stellen. Het merendeel van de hartaanvallen vereist eigenlijk beeldvormende modaliteiten, zoals ultrasound beeldvorming, om een diagnose te stellen’, zegt Zhao. Continue beeldvorming van het hart van een patiënt zou de symptomen kunnen vastleggen en een vroege diagnose kunnen stellen.

‘Het grote verkoopargument van dit nieuwe apparaat is dat het nieuwe vormen van medische diagnose mogelijk maakt die niet kunnen worden gedaan in een statische omgeving’, zegt Tan. Om bijvoorbeeld de hartgezondheid te beoordelen, is het nuttig om de activiteit van het orgaan te meten tijdens het sporten - maar het is moeilijk om een ultrasound staaf tegen de met zweet bedekte borst van een hardlopende proefpersoon te houden. ‘Met een draagbare ultrasone patch, waarbij je de transducer niet op de persoon hoeft te houden, konden ze aantonen dat je beelden van zeer hoge kwaliteit van het hart kunt krijgen, zelfs tijdens beweging’, voegt Tan toe.

Het apparaat is echter nog niet klaar voor gebruik. Ten eerste moet het nog fysiek worden aangesloten op een computer die de gegevens die de sonde produceert kan verzamelen en analyseren. ‘We verbinden deze sonde via een draad met een data-acquisitiesysteem’, zegt Zhao. ‘Maar mijn groep werkt er hard aan om alles te miniaturiseren en te integreren in ons draadloze apparaat.’ Hij is uiteindelijk van plan om de pleister te upgraden met een geminiaturiseerde stroombron en een draadloos data-transmissiesysteem. Dit is een haalbaar doel, daar zijn Lu en Tan het over eens, dankzij krimpende elektronische componenten en fabricagemethoden die het mogelijk maken deze functies te combineren in een ‘ultrageluid op een chip’. Lu suggereert dat als het veld federale en particuliere investeringen kan aantrekken, een dergelijk apparaat binnen vijf jaar haalbaar zou kunnen zijn, hoewel het dan nog wel de goedkeuring van federale regelgevende instanties moet krijgen.

Uiteindelijk zouden ultrasone pleisters kunnen aansluiten in het rijtje van wearables die de menselijke gezondheid bewaken, waaronder bestaande apparaten die informatie verzamelen over hartslag, slaapkwaliteit en zelfs stress. ‘Ons lichaam straalt een heleboel zeer persoonlijke, zeer continue, gedistribueerde en multimodale gegevens uit over onze gezondheid, onze emotie, onze aandacht, onze paraatheid, enzovoort. We zitten dus vol met gegevens’, zegt Lu. ‘De vraag is hoe we ze betrouwbaar en continu kunnen verkrijgen.’