メディカル最新情報2022夏

サムズアップ・アメリカ！
体内を見ることができる超小型シールを開発
心臓や肺など内臓の様子を鮮明に映し出す切手サイズの超音波粘着剤を開発

身体の超音波画像を生成する粘着パッチ

切手サイズのデバイスを皮膚に貼り付けるだけ！　

48時間、内臓の超音波画像を継続的に監視することができます。

超音波画像は、安全かつ非侵襲的に体内の仕組みを知ることができ、臨床医に患者の内臓のライブ画像を提供することができるものです。

この画像を撮影するために、訓練を受けた技術者が超音波探触子やプローブを操作し、音波を体内に送り込みます。音波が反射して戻ってくると、心臓や肺など深部の臓器の高解像度画像が得られます。

現在、超音波画像診断には、病院や診療所でのみ利用可能な、かさばる特殊な装置が必要です。しかし、MITのエンジニアによる新しいデザインは、この技術を薬局でバンドエイドを買うのと同じくらい身につけやすく、身近なものにする可能性があります。

驚きの論文

サイエンス誌に掲載された論文で、この技術者たちは新しい超音波ステッカーの設計を発表しました。切手サイズの装置で、皮膚に貼り付けて48時間、内臓の連続超音波画像を得ることができるというもの。

この研究者らは、このステッカーをボランティアに貼り、主要な血管や心臓、肺、胃などの深部臓器の生きた高解像度画像を生成することを示しました。

ステッカーは強力な粘着力を維持し、ボランティアが座る、立つ、ジョギング、自転車などさまざまな活動を行った際に、その下にある臓器の変化をとらえたのです。

現在の設計では、反射した音波を画像に変換する機器にステッカーを接続する必要があります。研究者らは、このステッカーが現在の形であっても、すぐに応用できる可能性を指摘しています。

例えば、心臓をモニターする心電図シールのように、病院で患者に貼ることができ、技術者が長時間プローブを固定することなく、内臓を連続的に画像化することができるのです。

もし、この装置がワイヤレスで動作するようになれば（現在、研究チームが目指している目標）、超音波ステッカーは、患者が医院から持ち帰ったり、薬局で購入できるウェアラブル画像製品になる可能性があります。

この研究の主執筆者であるMITの機械工学および土木環境工学のXuanhe Zhao教授は、「私たちは、体のさまざまな場所にいくつかのパッチを貼り付けて、パッチが携帯電話と通信し、AIアルゴリズムが必要に応じて画像を分析することを考えています」と語っています。

また、「私たちは、ウェアラブルイメージングの新しい時代を切り開いたと信じています。体にいくつかのパッチを貼ることで、内臓を見ることができるのです。」と語ります。

この研究には、主著者のChonghe WangとXiaoyu Chen、共著者のLiu Wang、Mitsutoshi Makihata、Tao Zhaoが、ミネソタ州ロチェスターのメイヨークリニックのHsiao-Chuan Liuらが共同研究者として含まれています。



厄介な問題

超音波画像診断では、まず技術者が患者の皮膚に液体ゲルを塗布し、これが超音波を伝える働きをします。

そして、プローブ（トランスデューサ）をジェルに押し当て、音波を体内に送り、内部構造に反響してプローブに戻り、反響した信号が視覚的な画像に変換されます。

長時間の撮影が必要な患者のために、疲れることなく振動子を固定できるロボットアームにプローブを取り付けた病院もありますが、液体の超音波ゲルは時間とともに流れて乾燥し、長時間の撮影を中断してしまいます。

近年、研究者たちは、携帯可能で薄型の内臓イメージングを実現する、伸縮自在の超音波プローブの設計を模索してきました。

これらの設計では、小さな超音波トランスデューサーの柔軟な配列が与えられており、このようなデバイスは患者の体に合わせて伸びて適合するという考えに基づいています。

しかし、これらの実験的設計は、その伸縮性のため、低解像度の画像を生成してきました。身体に合わせて動くことで、トランスデューサーの位置が相対的に移動し、画像に歪みが生じるのです。
「ウェアラブル超音波イメージングツールは、将来の臨床診断において大きな可能性を持っています。しかし、既存の超音波パッチは解像度や撮影時間が比較的短く、深部の臓器を撮影することができません。」

内部を見る

MITチームの新しい超音波ステッカーは、伸縮性のある粘着層と硬いトランスデューサーの配列を組み合わせることで、より長い時間にわたってより高い解像度の画像を生成します。「この組み合わせによって、デバイスは、トランスデューサーの相対的な位置を維持しながら、皮膚に適合することができ、より明確で正確な画像を生成することができます。」 と、Wang氏は言います。

この装置の粘着層は、2枚の薄いエラストマーでできており、その中に、音波を透過しやすい水溶性の固体ハイドロゲルの中間層が包まれています。

従来の超音波ゲルとは異なり、MITチームのハイドロゲルは弾力性と伸縮性に富んでいます。

MITのポスドクであるChen教授は、「エラストマーがハイドロゲルの脱水を防いでくれるのです」と言います。「ハイドロゲルが高度に水和しているときだけ、音響波が効果的に浸透し、内臓の高解像度イメージングを行うことができるのです。」

下のエラストマー層は、皮膚にくっつくように設計されていて、上の層は、チームが設計・製作したトランスデューサーの硬い配列にくっつくようになっています。

超音波ステッカー全体の大きさは、横が約2平方センチメートル、厚さが3ミリメートルで、切手とほぼ同じ面積です。

研究チームは、この超音波ステッカーを健康なボランティアの首や胸、腹部、腕などに貼ってもらい、さまざまなテストを行いました。

ステッカーは皮膚に貼り付けたまま、最長48時間、下半身の構造を鮮明に映し出しました。この間、ボランティアは実験室で、座ったり立ったり、ジョギングやサイクリング、ウェイトリフティングなど、さまざまな活動を行いました。

研究チームは、ステッカーの画像から、座った状態と立った状態で主要な血管の直径が変化する様子を観察することができました。

また、心臓が運動によってどのように変化するかなど、より深い臓器の詳細も撮影されました。

さらに、ジュースを飲んだり飲んだりしたときに、胃が膨らんだり縮んだりする様子も観察することができました。

何人かのボランティアがバーベルを持ち上げたとき、その下の筋肉に一時的な微小損傷を示す明るいパターンを検出することさえできたのです。

「イメージングを使えば、運動で使いすぎる前にその瞬間をとらえ、筋肉が痛む前に止めることができるかもしれません」と陳教授は言う。「その瞬間がいつかはまだわかりませんが、専門家が解釈できるような画像データを提供できるようになりました」とのこと。

研究チームは、現在ステッカーをワイヤレスで機能させることに取り組んでいます。

また、ステッカーの画像をより適切に解釈・診断できるよう、人工知能をベースにしたソフトウェア・アルゴリズムの開発も進めています。

そして、超音波診断シールは、患者や消費者がパッケージ化して購入し、さまざまな内臓だけでなく、腫瘍の進行や子宮内の胎児の発育をモニターするために使用されることを想定しています。

「私たちは、体のさまざまな場所を撮影するためにデザインされた、魔法のようなシールを手にすることができると期待しています。これは、ウェアラブルデバイスと医療用画像処理におけるブレークスルーを意味すると考えています。」

本当にすごい発明ですね。治療を待つ人のために少しでも早く実用化してほしいものです。

なお、この研究は、MIT、国防高等研究計画局、国立科学財団、国立衛生研究所、MITの兵士ナノテクノロジー研究所を通じて米陸軍研究局から一部資金提供を受けています。