Un dispositivo de ultrasonido portátil que se adhiere a la piel mediante un adhesivo de base biológica.Crédito: Zhonghe Wang
En un día soleado de abril, uno de nosotros (CW) estábamos corriendo a lo largo del río Charles en Cambridge, Massachusetts, con una serie de pequeñas manchas pegadas a la piel. Cada parche era una etiqueta de ultrasonido. En un teléfono inteligente, se transmiten en vivo imágenes de las válvulas cardíacas palpitando, los músculos flexionándose, el diafragma subiendo y bajando y la sangre fluyendo a través de las arterias. Al conectar a la perfección estas capas ocultas de fisiología, el corredor pudo observar su cuerpo trabajar en tiempo real.
Los dispositivos de ultrasonido portátiles, como estas etiquetas, todavía enfrentan muchos desafíos. Pero representa nuestra visión para el futuro de los ultrasonidos y los dispositivos portátiles.1,2. Aquí describimos la promesa de dichas tecnologías y destacamos los obstáculos restantes para el despliegue de dispositivos en los próximos cinco a diez años.
Imágenes corporales en tiempo real
En el campo de la tecnología de atención sanitaria personal, Dispositivos portátiles Como Fitbit y Apple Watch se han convertido en nombres muy conocidos. Estos dispositivos (pequeños poderes de sensores y tecnología inteligente) pueden rastrear pasos, controlar la frecuencia cardíaca e incluso realizar electrocardiogramas que antes requerían una visita al consultorio de un médico. Presentan la biometría en métricas elegantes y fáciles de entender y llevan a las personas hacia estilos de vida más saludables.3. Los monitores de glucosa portátiles también liberan a las personas con diabetes de frecuentes pinchazos, proporcionando lecturas continuas de azúcar en sangre.
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Sin embargo, los dispositivos portátiles existentes generalmente recopilan datos a sólo milímetros por debajo de la superficie de la piel. Otras técnicas pueden ver más allá de esta capa superficial. Imagen de resonancia magnética (MRI), los rayos X y la ecografía, por ejemplo, pueden obtener imágenes de los órganos internos. Entre estos dispositivos, el ultrasonido destaca como líder en la carrera hacia la adaptación portátil.
El ultrasonido funciona según el principio del ultrasonido: envía ondas sonoras de alta frecuencia al cuerpo, que rebotan en las estructuras internas para producir imágenes en tiempo real de procesos dinámicos como los latidos del corazón o el flujo sanguíneo. Los dispositivos de ultrasonido tradicionales para el punto de atención requieren que un ecografista capacitado presione una sonda de ultrasonido portátil contra un paciente que está estacionario, lo que significa que estos dispositivos generalmente se limitan a hospitales y clínicas. Sin embargo, a diferencia de los rayos X, que requieren radiación ionizante compleja y potencialmente dañina, la producción de ultrasonido es relativamente fácil, no invasiva y segura. Estas propiedades hacen que el ultrasonido sea especialmente adecuado para una forma portátil capaz de realizar un seguimiento continuo.
Nuestro equipo ha estado explorando la tecnología de ultrasonido portátil durante los últimos años.1,2junto con otros grupos de investigadores que buscan lograr el mismo objetivo4–11. El dispositivo que desarrollamos tiene sólo unos pocos centímetros de largo, se adhiere a la piel mediante un bioadhesivo y está conectado mediante cables a una batería de bolsillo y a un sistema de transmisión de datos. Este sistema transmite datos de nivel clínico de forma inalámbrica a una tableta o teléfono inteligente (consulte “Ultrasonido portátil”). Nuestro prototipo, aunque todavía está en su infancia, puede ofrecer imágenes continuas y de alta calidad del tejido profundo. Actualmente, la duración de la batería permite capturar vídeos de un minuto de forma intermitente: varias veces por hora durante varios días. Aún no hemos realizado ensayos clínicos, pero esperamos llegar a esa etapa en los próximos años.
Fuente: C. Wang y X. Zhao
Los sistemas de ultrasonido portátiles son muy prometedores para transformar la atención médica, apoyando el cambio hacia la atención preventiva y la gestión proactiva de la salud. En entornos clínicos, brindan la posibilidad de realizar un seguimiento continuo de pacientes de alto riesgo, realizar un seguimiento de la salud del feto en embarazos de alto riesgo o supervisar la recuperación después de una cirugía. Más allá de los hospitales, estos dispositivos pueden llevar herramientas de diagnóstico y monitoreo a áreas remotas, haciendo que las imágenes médicas sean más accesibles y asequibles en los países de ingresos bajos y medianos. A medida que esta tecnología mejore, esperamos que se integre en la vida diaria de las personas para controlar afecciones crónicas como la presión arterial alta o para permitir la detección temprana de insuficiencia cardíaca, aneurisma aórtico abdominal y trombosis venosa profunda.3.
La capacidad de obtener imágenes de forma continua y simultánea de múltiples sistemas de órganos durante largos períodos también abre oportunidades para mejorar nuestra comprensión de procesos fisiológicos y patológicos complejos. Los datos y los conocimientos obtenidos pueden ampliar significativamente nuestra comprensión de la biología y fisiología humanas a nivel sistémico.
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La tecnología de ultrasonido portátil ya ha superado algunos desafíos técnicos importantes, pero aún quedan más por venir. Estos desafíos incluyen mejorar la durabilidad, flexibilidad y precisión de estos dispositivos, además de hacerlos más cómodos de usar y extender la vida útil de su batería.
Disminuir el zoom. Butterfly Network de Burlington, Massachusetts, ha logrado avances significativos en la miniaturización de la tecnología de ultrasonido. La empresa ha creado una plataforma de ultrasonido integrada en un chip para su dispositivo Butterfly iQ12una pequeña unidad de ultrasonido portátil para uso en clínicas que fue aprobada por la Administración de Medicamentos y Alimentos de los EE. UU. (FDA) en 2017. Aunque el Butterfly iQ no es completamente inalámbrico ni portátil, demuestra que se pueden lograr imágenes de alta calidad. utilizando un dispositivo de ultrasonido compacto.
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Además, los avances recientes en la tecnología de sistema de ultrasonido en parche (USoP) han llevado al desarrollo de sistemas totalmente integrados que combinan sensores de ultrasonido y dispositivos electrónicos de radiocontrol en miniatura en un formato suave y portátil.13.
Aunque la tecnología USoP no puede proporcionar imágenes de alta calidad, permite el seguimiento continuo de señales fisiológicas del tejido profundo y puede funcionar de forma inalámbrica. El siguiente paso para estas tecnologías es integrar la capacidad de imágenes de ultrasonido de calidad clínica con dispositivos de ultrasonido portátiles, inalámbricos e integrados.
Contacto con la piel. Para transmitir y recibir ondas sonoras de manera eficiente, la sonda de ultrasonido debe tener un buen contacto con la piel. En la clínica, los ecografistas suelen utilizar un gel líquido para llenar el espacio entre la sonda y la piel, pero el gel fluye rápidamente en aplicaciones portátiles.
Algunos grupos de investigación han fabricado sensores de ultrasonido que se pueden estirar para adaptarse a la superficie curva de la piel sin necesidad de un gel líquido.9,11,13. Sin embargo, las sondas estirables enfrentan un desafío fundamental: debido a que las imágenes de alta calidad dependen del conocimiento preciso de las ubicaciones de los transductores en la sonda de ultrasonido, estirarlas puede afectar significativamente el rendimiento de las imágenes.
Nuestro equipo ha desarrollado Ultrasonido Bioadhesivo, que utiliza una sonda de ultrasonido delgada y rígida adherida a la piel con una capa “coplant” especializada hecha de un elastómero híbrido de hidrogel bioadhesivo, suave pero fuerte, antisequedad.1. Esto proporciona una conexión fuerte y flexible entre la sonda y la piel, manteniendo una buena interfaz acústica para obtener imágenes de alta calidad.
Un equipo de médicos lleva equipo de ultrasonido a una aldea remota en la provincia china de Yunnan.Fuente de la imagen: Zhang Jiayang/Xinhua vía Zuma
Directividad. Otro desafío importante es garantizar que la sonda de ultrasonido continúe apuntando al cuerpo exactamente en la dirección correcta incluso mientras el usuario se mueve. Hemos hecho que nuestro acoplador bioadhesivo sea ajustable para que la dirección de las ondas sonoras se pueda ajustar con precisión.2. Actualmente, esto requiere un ajuste manual inicial por parte de los médicos para garantizar que la sonda esté alineada correctamente.
En la práctica, los parches ecográficos bioadhesivos generalmente mantienen bien su orientación durante actividades típicas, como trotar y caminar. Sin embargo, es posible que necesiten reajustarse cuando están expuestos a movimientos más extremos, como volcarse mientras duermen o en caso de una colisión.
análisis de los datos. inteligencia artificial (Inteligencia Artificial) puede ayudar a analizar datos interpretando las imágenes producidas y luego alertando al médico -o incluso al usuario- sobre posibles problemas y preocupaciones de salud. El análisis de datos asistido por IA ya se está utilizando en entornos clínicos para interpretar datos de diagnóstico, incluidas imágenes de ultrasonido y rayos X. Sin embargo, estos sistemas enfrentan nuevos desafíos en el campo del ultrasonido portátil, porque los movimientos del usuario introducen ruido adicional y variabilidad de datos.
Trabajamos en redes neuronales y modelos de IA generativa que mejoran la claridad de la imagen y reducen las falsas alarmas. Estos algoritmos avanzados de IA se están desarrollando para filtrar los desencadenantes dinámicos y mejorar la precisión del monitoreo continuo, asegurando que solo se identifiquen problemas de salud importantes para un examen más detallado.
Transferencia de datos. Será fundamental garantizar la privacidad de los datos y desarrollar protocolos de comunicaciones inalámbricas robustos que puedan manejar los flujos masivos de datos generados por las imágenes continuas. Aunque nuestro sistema actual puede manejar el muestreo de datos intermitente, la transferencia continua de datos sigue siendo un obstáculo.
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Los desafíos clave incluyen desarrollar métodos seguros y eficientes para la compresión de datos y garantizar la transmisión en tiempo real sin comprometer la privacidad del paciente. Estamos progresando, pero esto requiere más investigación y desarrollo para mejorar la eficiencia del ancho de banda y garantizar métodos de cifrado sólidos para proteger los datos de los pacientes.
traducción. La colaboración entre científicos, ingenieros, médicos y organismos reguladores ya se está produciendo y es esencial para aprovechar todo el potencial de la tecnología de ultrasonido portátil. Las asociaciones con innovadores tecnológicos impulsan avances en componentes como baterías y sensores, y las colaboraciones con científicos de datos mejoran los algoritmos necesarios para guiar las operaciones y analizar datos.
A medida que avancemos en la tecnología de ultrasonido portátil, la investigación rigurosa continua, los ensayos clínicos y los comentarios de los pacientes serán fundamentales. Estas colaboraciones fomentan un entorno en el que se pueden desarrollar e implementar soluciones innovadoras, acercándonos a aprovechar plenamente el potencial de los sistemas de ultrasonido portátiles.
Sistemas. Si bien existen vías regulatorias claras para los dispositivos de ultrasonido convencionales, establecer vías similares para los dispositivos de ultrasonido portátiles acelerará su integración segura y efectiva en la práctica clínica. Actualmente, la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. (FDA) y otras agencias reguladoras están adaptando las regulaciones existentes para tener en cuenta los aspectos únicos de la tecnología portátil.
Los desafíos clave incluyen establecer estándares para el monitoreo continuo, garantizar la privacidad de los datos y proteger las transmisiones inalámbricas para evitar el acceso no autorizado a información confidencial. Abordar estas lagunas regulatorias será fundamental para garantizar la seguridad y eficacia de los dispositivos de ultrasonido portátiles en entornos clínicos.
Lograr estos objetivos será clave para transformar el ultrasonido portátil de un prototipo prometedor a una herramienta indispensable en la medicina personalizada. En última instancia, la adopción generalizada de dispositivos de ultrasonido portátiles cambiará no sólo la forma en que monitoreamos las enfermedades crónicas, sino también la forma en que entendemos el cuerpo humano.14.