Aktualności
Badania
12 Marca
Źródło: MIT
Opublikowano: 2024-03-12

Polski wkład w powstanie sensora monitorującego organy wewnętrzne

Zespół uczonych z Massachusetts Institute of Technology oraz University of Southern California stworzył miniaturowy sensor przeznaczony do stałego monitorowania organów wewnętrznych. W pracach nad urządzeniem, które może znaleźć zastosowanie m.in. u pacjentów po transplantacjach nerek i wątroby, uczestniczył naukowiec z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Aparat ma wielkość znaczka pocztowego i jest przyklejane do ciała. Wykorzystuje jedną z technik obrazowania medycznego – elastografię ultradźwiękową. Jako sondy organizmu używa przenikających do jego wnętrza fal ultradźwiękowych. Organy poddane impulsom skupionej wiązki akustycznej zaczynają delikatnie wibrować i emitują sprężyste fale poprzeczne, które są rejestrowane przez urządzenie. Technika wykorzystuje fakt, że procesy patologiczne powodują stopniowe zmiany właściwości mechanicznych narządów. Chorobowo zmienione organy poddane impulsowi skupionej wiązki akustycznej wibrują odmiennie niż zdrowe, co przekłada się na zmianę prędkości i profilu rozchodzenia się fal poprzecznych. Jeśli odbiegają one od wartości referencyjnych, jest to sygnał, że w ciele pacjenta dzieje się coś niedobrego. Dzięki temu urządzenie może znaleźć zastosowanie m.in. u pacjentów po transplantacjach nerek i wątroby, u których pozwoli na wczesne wykrywanie symptomów ostrej niewydolności narządów i odrzucenia przeszczepów.

W pracach nad nim uczestniczył dr hab. inż. Piotr Kijanka z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Odpowiedzialny był za walidację numeryczną procesów falowych zachodzących w tkankach.

Wiele zjawisk fizycznych, takich jak propagacja fali akustycznej czy sprężystej, można zapisać przy pomocy równań różniczkowych. Same równania są znane od dawna, ale żeby dokonywać jakichkolwiek obliczeń, trzeba najpierw dokonać optymalizacji numerycznej z uwzględnieniem wszelkich warunków brzegowych – wyjaśnia naukowiec z AGH. – Zakresy parametrów są już opisane w literaturze i potwierdzone wieloma badaniami. Nie jest jednak tak, że sprawa nie wymagała w tym przypadku zastanowienia. Zanim znalazłem właściwe rozwiązania numeryczne, spędziłem godziny na rozmowach z kolegami z zespołu na temat tego, jak będą wyglądały eksperymenty. Kluczowe było dla mnie, żeby poznać jak najwięcej szczegółów, które wymagają uwzględnienia w obliczeniach numerycznych. Gdybym pominął jakieś istotne aspekty, mogłoby się okazać, że uzyskane wyniki nie mają pokrycia w rzeczywistości – precyzuje.

Małe urządzenie o dużych możliwościach

Sama technika elastografii ultradźwiękowej nie jest w medycynie nowością, jednak dotychczas stosowana do tego celu aparatura wymaga używania trzymanej w ręku głowicy, którą diagnosta przesuwa nad ciałem badanego pacjenta. Takie rozwiązanie nie pozwala na prowadzenie stałego monitoringu, którym poddawani są na przykład pacjenci po operacji przeszczepu nerek czy wątroby. Zmiana właściwości mechanicznych organu może u nich zwiastować jego ostrą niewydolność i odrzucenie przeszczepu przez organizm.

Tymczasem opracowane przez inżynierów z MIT i USC urządzenie pozwala na ponad 48 godzin nieprzerwanej pracy, a oznaki procesu patologicznego jest w stanie wykryć już w ciągu 6 godzin od ich wystąpienia. Pomimo miniaturyzacji, na długości 24 mm udało się twórcom umieścić 128 przetworników piezoelektrycznych, co odpowiada ich liczbie w stosowanych obecnie głowicach komercyjnych, które mają rozmiar 40 mm. Aparat mocowany jest na skórze pacjenta za pomocą opracowanego wcześniej na MIT specjalnego żelu na bazie wody i polimerów, który umożliwia bezstratne przekazywanie impulsów dźwiękowych pomiędzy urządzeniem a ciałem pacjenta. Inną zaletą tego urządzenia jest to, że może ono wytwarzać impuls siły promieniowania akustycznego w celu indukowania fal poprzecznych, co zwykle nie jest osiągalne w przypadku tak małego urządzenia.

Jak dotąd skuteczność opracowanego rozwiązania została potwierdzona podczas testów na szczurach. Obecnie zespół pracuje nad tym, żeby urządzenie mogło być używane przez osoby po przeszczepach narządów na szpitalnych oddziałach transplantologicznych. Docelowo twórcy aparatu chcieliby, aby kosztem nieznacznego powiększenia gabarytów z urządzenia mogły korzystać potrzebujące tego osoby w warunkach domowych. Jak deklaruje badacz z AGH przejście z modelu szczurzego na model ludzki z numerycznego punktu widzenia nie stanowi tutaj problemu.

Tkanki są bardzo podobne, jeżeli chodzi o ich właściwości mechaniczne. Zmiany wartości mogą wymagać jedynie parametry wejściowe, na przykład opisujące sztywność i lepkość materiału – tłumaczy dr hab. inż. Piotr Kijanka.

Od inżynierii mechanicznej do biomedycznej

Tematyką ultradźwięków zajmuje się od początku kariery naukowej, ale początkowo jego uwaga koncentrowała się na wykrywaniu przy ich pomocy uszkodzeń w konstrukcjach mechanicznych. Temu zagadnieniu uczony z AGH poświęcił swoją rozprawę doktorską. Przełomem w jego naukowym CV było dwuletnie zatrudnienie, począwszy od 2017 roku, w szpitalu Mayo Clinic w Rochester w Stanach Zjednoczonych.

Od momentu, kiedy rozpocząłem pracę w szpitalu, całą moją wiedzę z inżynierii mechanicznej mogłem przełożyć na inżynierię biomedyczną. Miałem też możliwość wiele się nauczyć, bo dostęp do infrastruktury badawczej był doskonały. Uczestniczyłem również w wielu badaniach klinicznych, więc mogłem osobiście doświadczyć, jak to wygląda. Od tamtego czasu praktycznie przesunąłem wszystkie moje siły i zainteresowania w kierunku inżynierii biomedycznej – opowiada.

Badania nad urządzeniem opisano na łamach prestiżowego czasopisma Science Advances.

źródło: AGH

Dyskusja (0 komentarzy)