Умный пластырь: фотоакустика для мониторинга биомолекул в глубоких тканях

Многие аспекты жизни человека радикально изменились благодаря развитию электроники и вычислительной техники. Медицина тому яркое подтверждение. Если раньше многие диагнозы ставились «на глаз» или были основаны на интуиции и теоретических знаниях врача, то сейчас существует множество инструментов, способных в разы облегчить жизнь диагносту. Рентген, МРТ, цифровой дерматоскоп и многие другие разработки прошли долгий путь совершенствования и в той или иной степени используют самые разные технологии, базирующихся на самых разных законах физики, химии и биологии. Достаточно молодой технологией диагностики являются умные пластыри, которые могут считывать ряд биоданных, просто пребывая на коже пациента, как и обычный пластырь. Проблема в том, что такие пластыри весьма ограничены в своих возможностях и не могут заглянуть в тело пациента глубже. Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) разработали новый тип умного пластыря, который с помощью фотоакустики способен считывать уровень гемоглобина и температуру глубоких тканей человека. Что легло в основу новой технологии, как именно она работает, и насколько точны ее результаты? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Для современной медицины нет никакого секрета в том, что далеко не все проблемы со здоровьем очевидны. Другими словами, здоровых людей нет, есть недообследованные. И говоря про диагностику, стоит отметить важность отслеживания динамики биомолекул, т. е. органических веществ, вырабатываемых организмом. В частности, количество и расположение гемоглобина в организме дают важную информацию о перфузии (кровоснабжении органов) или накоплении крови в этой области. Низкая перфузия крови внутри тела может привести к тяжелым последствиям, а ее причиной могу быть самые разные заболевания: инфаркт миокарда, посткардиальный синдром, сосудистые заболевания конечностей или послеоперационные осложнения. А вот скопление крови в определенном участке может быть признаком воспаления, травмы или даже онкологии. Например, кисты со многими возможными типами биологических жидкостей внутри могут быть обнаружены по всему телу человека. А кровяные кисты требуют особого внимания и тщательного наблюдения на предмет риска злокачественных опухолей.

Вполне логично, что непрерывный мониторинг может способствовать пониманию и диагностике этих патофизиологических состояний и, таким образом, позволяет проводить своевременное оперативное или медикаментозное вмешательство.

Однако существующие методы не предназначены для непрерывного наблюдения за пациентом. Некоторые требуют дорогостоящего оборудования (к примеру, МРТ), тогда как другие полагаются на радиоактивные индикаторы (например, позитронно-эмиссионная томография). Ультрасонография хоть и может визуализировать внутренние ткани и кровоток, но требует оператора и отдельной лазерной системы для определения биомолекул.

Альтернативой вышеописанных методов в последнее время считают устройства из области мягкой электроники. Речь идет о пластырях, которые могут прикрепляться к коже человека для непрерывного мониторинга состояния его здоровья. Эти устройства продемонстрировали свою способность обнаруживать биомолекулы на основе электрохимических реакций и оптики. Однако существующие пластыри могут воспринимать биомолекулы только близко к поверхности кожи. Ни один из них не имеет доступа к биомолекулам в глубоких тканях, которые имеют более сильную и быструю корреляцию с физиологическими и метаболическими процессами в организме человека, чем близкие к поверхности кожи.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают новый тип пластыря — фотоакустический, который способен успешно мониторить биомолекулы в глубоких тканях. Устройство объединяет массив мощных диодов VCSEL и пьезоэлектрических преобразователей, которые соединены между собой змеевидными металлическими электродами и заключены в эластомерную матрицу. Импульсный лазер, излучаемый массивом VCSEL, возбуждает молекулы гемоглобина, излучая акустические волны. Эти фотоакустические волны воспринимаются массивом преобразователей, а затем обрабатываются для реконструкции трехмерной карты гемоглобина с субмиллиметровым разрешением. Кроме того, амплитуда фотоакустического сигнала имеет линейную зависимость от температуры среды, что обеспечивает неинвазивный способ измерения внутренней температуры с высоким пространственным разрешением и быстрым откликом.

Строение фотоакустического пластыря

Изображение №1

На 1a схематически показана конструкция и принцип работы мягкой фотоакустической накладки (пластыря). Пластырь включает в себя массив VCSEL в качестве источника света и массив пьезоэлектрических преобразователей для обнаружения фотоакустических волн. Лазерные лучи рассеиваются в глубоких тканях, а молекулы гемоглобина подвергаются термоупругому расширению после поглощения оптической энергии и коллапсируют, когда энергия отсутствует. Следовательно, при освещении импульсным лазером из массива VCSEL гемоглобин будет вибрировать и излучать акустические волны. Пьезоэлектрические преобразователи улавливают акустические волны для создания пространственного распределения излучателей волн.

Таким образом, фотоакустическая визуализация использует преимущества уникальных характеристик поглощения биомолекул и акустических волн с высокой проникающей способностью для картирования биомолекул в глубоких тканях с высоким пространственным разрешением.

В пластыре 24 VCSEL равномерно распределены по четырем равноотдаленным столбцам, где они соединяются последовательно. Распределенная компоновка VCSEL позволяет создать равномерное освещение в областях под пластырем. 240 пьезоэлектрических преобразователей расположены между VCSEL в 15 столбцах по 16 преобразователей в каждом. Для независимой адресации каждого преобразователя с компактным профилем устройства было разработано семь слоев змеевидных межсоединений. Четыре соседних элемента в столбце виртуально соединены параллельно для усиления сигнала в процессе реконструкции изображения, образуя 13 линейных массивов в горизонтальном направлении. Перекрытие между соседними массивами увеличивает количество плоскостей изображения, дополнительно улучшая боковое разрешение в направлении перекрытия.

Все VCSEL, преобразователи и межсоединения инкапсулированы в эластомерный полимер, образуя структуру «island-bridge» (остров-мост) с общей площадью 2.0 см × 1.6 см и толщиной 1.2 мм. По сравнению с обычными системами фотоакустической визуализации, для которых требуются сложные компоненты и строгие условия эксплуатации, интегрированный носимый фотоакустический пластырь значительно снижает физическое ограничение на тело пользователя, потенциально позволяя визуализировать молекулы даже при движении.

В этом исследовании применялись высокомощные VCSEL для достижения большой глубины обнаружения и большого отношения сигнал/шум (SNR). Длина волны в 850нм отлично подходит для пластыря, так как проникает глубоко в ткани человеческого тела. Кроме того, на этой длине волны гемоглобин имеет доминирующий коэффициент оптического поглощения по сравнению с другими молекулами, такими как вода и липиды.

Пьезоэлектрический слой пластыря состоит из микростолбиков цирконата-титаната свинца (PZT) с частотой 2 МГц, залитых эпоксидной смолой. По сравнению с объемным PZT, композит подавляет поперечную вибрацию и усиливает осевую вибрацию микростолбиков, тем самым увеличивая коэффициент электромеханической связи и улучшая эффективность преобразования энергии.

Защитный слой, изготовленный из отвержденной серебряной эпоксидной смолы, обладает высокой электропроводностью и сильным эффектом затухания акустических волн, чтобы гасить чрезмерные вибрации и, таким образом, улучшать полосу пропускания сигнала и осевое разрешение преобразователей.

Ученые также отмечают и механическую, а также электрическую прочность пластыря. На 1b представлены снимки пластыря при различных режимах деформации, включая изгиб, скручивание и растяжение. Локально, на уровне отдельных пьезоэлектрических преобразователей и лазерных диодов, пластырь достаточно жесткий, но глобально (т. е. вся его структура) остается достаточно гибкой. Следовательно, любые механические деформации не влияют на работу устройства. На 1c показаны инфракрасные снимки пластыря во время работы (длина волны лазера 850 нм).

Характеристики фотоакустического пластыря

Распределение оптической энергии в ткани должно быть как можно более однородным, чтобы свести к минимуму систематические артефакты, вносимые в фотоакустические изображения. А оптическое затухание должно быть минимальным, чтобы обеспечить наибольшую глубину обнаружения.

Изображение №2

На 2a показана смоделированная оптическая интенсивность в мышечной ткани человека размером 2 × 2 × 2.5 см. Каждый VCSEL излучает лазерный луч, перпендикулярный поверхности диода, в ткань с углом расхождения 20° и пиковой мощностью 40 Вт на VCSEL. Верхняя поверхность на 2a соответствует границе раздела (интерфейсу) между пластырем и тканью.

Оптические силы в плоскости 1 (плоскость XZ при y = 0) и плоскости 2 (плоскость YZ при x = 0) продемонстрировали равномерное распределение в горизонтальном направлении и небольшое затухание в осевом направлении. В плоскости XY распределения были очень однородны, с 20% падающей интенсивности на глубине 1 см (плоскость 3) и 2.3% на глубине 2 см (плоскость 4). Это указывает на способность лазерных лучей проникать через толстые слои тканей.

Важно и то, что работающие VCSEL выделяют много тепла. Чрезмерное тепло может не только вызвать проблемы с безопасностью, но также ухудшить характеристики VCSEL и изменить чувствительность пьезоэлектрических преобразователей.

На 2b представлены тепловизионные изображения пластыря на руке человека сразу после включения лазеров (верхняя панель) и после непрерывной работы в течение часа (нижняя панель) при частоте повторения 3 кГц и длительности импульса 200 нс. После одного часа работы максимальная измеренная температура составила ~ 36 ° C, что немного выше температуры поверхности кожи, но все же комфортно для пользователя. Фотоакустический пластырь выделяет столько же тепла, сколько и ультразвуковые фазированные решетки, которые соответствуют стандартам безопасности.

На 2c представлены изменения интенсивности излучения VCSEL во время непрерывной работы. При частоте повторения импульсов в 3 кГц и длительности импульса в 200 нс интенсивность уменьшалась всего лишь на < 4% через один час, что свидетельствует о высокой стабильности VCSEL.

Для количественных фотоакустических исследований крайне важно, чтобы массив датчиков имел равномерное распределение чувствительности обнаружения к фотоакустическим сигналам в целевой области. На 2d показано смоделированное распределение фотоакустической чувствительности пластыря в ткани молочной железы человека размером 2 × 2 × 2.5 см с учетом неравномерного распределения света на 2a. Из-за значительного проникновения акустических волн в ткани человека потеря чувствительности обнаружения, вызванная способностью пьезоэлектрических преобразователей воспринимать волны, составила менее -10 дБ. Испытанные передающие и приемные свойства пьезоэлектрических преобразователей продемонстрировали их высокую глубину проникновения и одинаковую чувствительность.

Импульсная характеристика является критической характеристикой сенсорной системы, которая в этом исследовании характеризуется фотоакустическим сигналом линейного источника во временной области, возбуждаемым VCSEL. Первым делом были измерены фотоакустические сигналы человеческого волоса (диаметром ~80 мкм). Затем рабочая частота системы была охарактеризована посредством применения преобразования Фурье к временному фотоакустическому сигналу (черная кривая), полученному одним элементом преобразователя (2e). Красная кривая на 2e показывает импульсную характеристику в частотной области с центральной частотой 2.40 МГц и шириной полосы 1.47 МГц.

Фотоакустические изображения реконструировались на основе сигналов, генерируемых волосками, погруженными в желатиновые фантомы на разной глубине. На 2f показано двумерное фотоакустическое изображение волоса на глубине 2 см. Анализ показал, что боковое разрешение будет уменьшаться с ~0.4 мм до ~0.7 мм по мере увеличения глубины изображения из-за ухудшения фокусировки (2g).

Практические опыты

Ученые еще раз отмечают, что длина волны в 850 нм имеет решающее значение для высокой глубины проникновения в ткани человека. Кроме того, для фотоакустического картирования гемоглобина среди других биомолекул в ткани необходимо выбрать длину волны лазера, при которой преобладает поглощение гемоглобином.

Изображение №3

Чтобы охарактеризовать селективность восприятия на этой длине волны, ученые протестировали фантомы* кисты с включением пяти различных биологических жидкостей (вода, плазма, молоко, жир и цельная кровь крупного рогатого скота) в прозрачных силиконовых трубках, встроенных под свиную ткань толщиной 2 см.

Фантом визуализации* — специально разработанный объект, который сканируется или визуализируется в области медицинской визуализации для оценки, анализа и настройки производительности различных устройств визуализации.

На 3a показаны измеренные спектры оптического поглощения всех типов биожидкостей, которые показывают, что у бычьей крови преобладает коэффициент поглощения при 850 нм. Для дальнейшей проверки селективности собирались как ультразвуковые, так и фотоакустические изображения фантомов кисты (3b). Ультразвуковые изображения в В-режиме позволяют выявить только несоответствие акустического импеданса между разными тканями, поэтому границы между включениями и матрицами четкие, а типы биожидкостей неразличимы. Фотоакустические изображения основаны на контрасте оптических абсорбций, который успешно отличает кровь от других биожидкостей.

16 рядов преобразователей образуют 13 линейных массивов, каждый из которых может формировать двухмерное фотоакустическое изображение. Комбинируя 13 изображений, пластырь может создавать трехмерную карту гемоглобина. Производительность 3D-картирования тестировалось на двух скрещенных силиконовых трубках, наполненных бычьей кровью, помещенных под свиную ткань толщиной 2 см.

На 3c показан фрагмент 3D-карты, где две силиконовые трубки перекрываются (верхняя панель), и соответствующий профиль амплитуды фотоакустического сигнала вдоль зеленой пунктирной линии на верхней панели (нижняя панель). Все 13 срезов фотоакустических изображений показаны на 3d, где выделен срез с перекрывающимися трубками на 3c. На 3e показано комплексное трехмерное картирование гемоглобина на глубине 2 см.

Говоря о других показателях здоровья организма, стоит упомянуть температуру. Обычно температура тела человека колеблется в пределах 37 °C. При определенных условиях температура может быть выше (физическая нагрузка) или ниже (холодная среда), но значительное отклонение внутренней температуры указывает на нарушение терморегуляции с тяжелыми последствиями, иногда опасными для жизни.

Большинство мягких пластырей могут измерять только температуру на поверхности кожи, на которую легко влияет внешняя среда, и поэтому она имеет слабую корреляцию с внутренней температурой. Имеющиеся на данный момент технологии, которые позволяют определить температуру, основаны на Zero-Heat-Flux или Dual-Heat-Flux, но они имеют длительное время отклика (~3 минуты) и ограниченную глубину обнаружения (~1 см).

Фотоакустические сигналы генерируются, когда биомолекулы преобразуют импульсную оптическую энергию в механическую энергию в виде фотоакустических волн. В диапазоне 10–55 °C существует линейная зависимость между амплитудой фотоакустических волн и температурой, что позволяет измерять температуру с помощью фотоакустического подхода.

В качестве начального теста ученые использовали мягкий фотоакустический пластырь для измерения температуры в фантоме и проверили его работу с помощью термопар. Фантом состоял из теплой бычьей крови, введенной в прозрачные силиконовые трубки под свининой тканью толщиной 2 см. В трубки помещались термопары, где также проводились фотоакустические измерения. Насос заставлял кровь течь в прозрачную силиконовую трубку с внутренним диаметром 3 мм. Скорость потока была установлена на уровне ~9 мл/с, в результате чего скорость кровотока составила ~127 см/с. Это выше, чем скорость кровотока в большинстве кровеносных сосудов в организме человека. Два конца трубки были погружены в химический стакан с бычьей кровью, который был помещен на горячую плиту для нагревания крови до различных температур во время течения. Кровь также могла естественным образом остыть, когда горячая плита была выключена.

На 3f показаны сформированный луч фотоакустической амплитуды (черные точки) протекающей крови, измеренной фотоакустическим пластырем, и температура (красная линия), измеренная термопарой. Оба параметра хорошо согласуются друг с другом в течение всего динамического процесса. На 3g представлена диаграмма рассеяния фотоакустической амплитуды в зависимости от температуры термометра. Аппроксимация измеренных данных (R² = 0.987) показала линейную зависимость между фотоакустической амплитудой и температурой протекающей крови.

Изображение №4

Чтобы проверить возможность мониторинга in vivo (в/на живом организме), ученые использовали фотоакустический пластырь для визуализации вен на руке, стопе, бедре и предплечье (4a—4h), для мониторинга венозной реакции на окклюзионный тест и для визуализации внутренней яремной вены (ВЯВ).

Фотоакустический пластырь получил 13 поперечных сечений вен, которые затем были преобразованы в соответствующие 3D-изображения. По сравнению с ультразвуковой допплеровской визуализацией, фотоакустическая визуализация обладает высокой чувствительностью и контрастом при обнаружении кровеносных сосудов, особенно мелких с медленным кровотоком.

Венозная окклюзионная плетизмография является неинвазивным методом оценки кровотока и сосудистого сопротивления конечностей. При измерениях венозный отток от предплечья на короткое время прерывался раздуванием манжеты, обернутой вокруг плеча, до давления выше венозного, но ниже диастолического. В результате венозные размерности будут увеличиваться по мере притока артериальной крови.

Ученые прикрепили фотоакустический пластырь к предплечью над венами и непрерывно отслеживали динамическую реакцию сосудов на венозную окклюзию (видео №1).

Видео №1

На 4i показано изменение размера вены в течение 3 минут непрерывной записи. На вставках показаны фотоакустические изображения вены в трех разных временных точках. В течение первой минуты давление не применялось, поэтому значительных изменений площади не наблюдалось. Через 60 секунд манжету быстро надули до 70 мм рт. ст., что привело к увеличению площади вен с течением времени. На вставке 2 видно явное расширение вены по сравнению со вставкой 1. Еще спустя минуту манжету снимали, что приводило к резкому уменьшению венозной области. Тест венозной окклюзии продемонстрировал быструю реакцию фотоакустического пластыря на визуализацию in vivo.

Далее тестировался пластырь в рамках трехмерной визуализации ВЯВ (> 1.1 см в глубину) на шее (4j). На 4k показаны 13 срезов фотоакустических изображений ВЯВ, наложенных на соответствующие ультразвуковые изображения в B-режиме.

Центральная частота ультразвуковых преобразователей близка к 2 МГц, что обуславливает низкий контраст ВЯВ на ультразвуковом В-изображении. А вот на фотоакустических снимках контраст ВЯВ по сравнению с окружающими тканями был достаточно высоким, ввиду сильного оптического контраста между гемоглобином и другими молекулами.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали успешную работу гибкого пластыря, способного реализовать трехмерную визуализацию гемоглобина и замерять температуру глубоких тканей организма человека.

Пластырь оснащен массивами лазерных диодов и пьезоэлектрических преобразователей в мягкой силиконовой полимерной матрице. Лазерные диоды излучают лазерные импульсы. Биомолекулы в ткани поглощают оптическую энергию и излучают акустические волны в окружающие среды. Пьезоэлектрические преобразователи улавливают эти волны, которые потом обрабатываются в системе для формирования визуализации излучающих волны биомолекул.

Разработанный пластырь легко крепится к коже человека, обладает достаточно высокой гибкостью и может работать несмотря на движения человека. В отличие от других подобных технологий, данный пластырь способен получать данные не из поверхности кожи, а на глубине 2 см. Эти данные являются куда более важными для оценки состояния здоровья человека.

Авторы разработки, довольные столь высокой производительностью своего творения, намерены в будущем усовершенствовать его. В перечень задач входит уменьшение внутренней системы управления, чтобы получить полноценное портативное устройство. Но уже на данном этапе их пластырь превосходит по точности аналогичные устройства, а также может соревноваться в измерении определенных параметров с такими гигантами диагностики как ультразвуковое исследование или даже МРТ.