ASCOLTA I NOSTRI PODCAST SU SPOTIFY
Gli ingegneri della UC San Diego guidano lo sviluppo di un nuovo potente sistema di sensori a ultrasuoni per l’imaging cardiaco che funziona anche durante un allenamento.
Ingegneri e medici hanno sviluppato un dispositivo ad ultrasuoni indossabile in grado di valutare sia la struttura che la funzione del cuore umano.
Il dispositivo portatile, che ha all’incirca le dimensioni di un francobollo, può essere indossato fino a 24 ore e funziona anche durante un intenso esercizio fisico.
L’obiettivo è rendere gli ultrasuoni più accessibili a una popolazione più ampia, ha detto Sheng Xu, professore di nanoingegneria presso l’Università della California di San Diego, che sta guidando il progetto.
Attualmente, gli ecocardiogrammi – esami ecografici per il cuore – richiedono tecnici altamente qualificati e dispositivi ingombranti.
“La tecnologia consente a chiunque di utilizzare l’imaging a ultrasuoni in movimento”, ha detto Xu.
Grazie ad algoritmi AI personalizzati, il dispositivo è in grado di misurare la quantità di sangue che il cuore sta pompando.
Questo è importante perché il cuore che non pompa abbastanza sangue è alla radice della maggior parte delle malattie cardiovascolari.
E i problemi con la funzione cardiaca spesso si manifestano solo quando il corpo è in movimento.
Il lavoro è descritto nel numero del 25 gennaio della rivista Nature.
L’imaging cardiaco è uno strumento clinico essenziale per valutare la salute del cuore a lungo termine, rilevare i problemi non appena si presentano e prendersi cura dei pazienti critici.
Questo nuovo monitor cardiaco indossabile e non invasivo per gli esseri umani fornisce informazioni automatizzate in tempo reale sull’attività di pompaggio del cuore difficile da catturare, anche quando una persona si sta allenando.
Il sistema di monitoraggio cardiaco indossabile utilizza gli ultrasuoni per acquisire continuamente immagini delle quattro camere del cuore in diverse angolazioni e analizzare un sottoinsieme clinicamente rilevante delle immagini in tempo reale utilizzando una tecnologia AI personalizzata.
Il progetto si basa sui precedenti progressi del team nelle tecnologie di imaging indossabili per i tessuti profondi.
“Il crescente rischio di malattie cardiache richiede procedure di monitoraggio più avanzate”, ha detto Xu. “Fornendo a pazienti e medici dettagli più approfonditi, il monitoraggio continuo e in tempo reale delle immagini cardiache è pronto a ottimizzare e rimodellare radicalmente il paradigma delle diagnosi cardiache”.
In confronto, i metodi non invasivi esistenti hanno capacità di campionamento limitate e forniscono dati limitati. La tecnologia indossabile sviluppata dal team di Xu consente immagini cardiache sicure, non invasive e di alta qualità, ottenendo immagini con alta risoluzione spaziale, risoluzione temporale e contrasto.
“Inoltre, riduce al minimo il disagio del paziente e supera alcuni limiti delle tecnologie non invasive come CT e PET, che potrebbero esporre i pazienti alle radiazioni”, ha affermato Hao Huang, uno studente di dottorato nel gruppo Xu presso UC San Diego.
Il design unico del sensore lo rende ideale per i corpi in movimento. “Il dispositivo può essere attaccato al torace con un vincolo minimo al movimento dei soggetti, fornendo anche una registrazione continua delle attività cardiache prima, durante e dopo l’esercizio”, ha detto Xiaoxiang Gao, ricercatore post-dottorato nel gruppo Xu presso la UC San Diego.
L’imaging cardiaco è uno degli strumenti più potenti per lo screening e la diagnosi dei problemi cardiaci prima che diventino problemi. “Il cuore subisce tutti i tipi di patologie diverse”, ha detto Hongjie Hu, ricercatore post-dottorato nel laboratorio Xu della UC San Diego.
Il nuovo sistema raccoglie informazioni attraverso un cerotto indossabile morbido come la pelle umana, progettato per un’aderenza ottimale.
Il cerotto misura 1,9 cm (L) x 2,2 cm (L) x 0,09 cm (T), circa le dimensioni di un francobollo. Invia e riceve le onde ultrasoniche che vengono utilizzate per generare un flusso costante di immagini della struttura del cuore in tempo reale. Questo cerotto ad ultrasuoni è morbido ed elastico e aderisce bene alla pelle umana, anche durante l’esercizio.
Il sistema può esaminare il ventricolo sinistro del cuore in viste bipiano separate utilizzando gli ultrasuoni, generando immagini clinicamente più utili di quelle precedentemente disponibili.
Come caso d’uso, il team ha dimostrato l’imaging del cuore durante l’esercizio, che non è possibile con le apparecchiature rigide e ingombranti utilizzate in ambito clinico.
Le prestazioni del cuore sono caratterizzate da tre fattori: volume di sangue che il cuore pompa fuori ogni battito, frazione di eiezione (la percentuale di sangue pompato dal ventricolo sinistro del cuore ogni battito) e gittata cardiaca (il volume di sangue che il cuore pompa ogni minuto).
Il team di Xu ha sviluppato un algoritmo per facilitare l’elaborazione automatica continua e assistita dall’intelligenza artificiale.
“Un modello di deep learning segmenta automaticamente la forma del ventricolo sinistro dalla registrazione continua dell’immagine, estraendone il volume fotogramma per fotogramma e producendo forme d’onda per misurare il volume, la gittata cardiaca e la frazione di eiezione”, ha affermato Mohan Li, studente di master nel gruppo Xu presso l’UC San Diego.
“In particolare, la componente AI coinvolge un modello di deep learning per la segmentazione delle immagini, un algoritmo per il calcolo del volume cardiaco e un algoritmo di imputazione dei dati”, ha affermato Ruixiang Qi, studente di master nel gruppo Xu presso UC San Diego.
Pertanto, questa tecnologia può generare curve di questi tre indici in modo continuo e non invasivo, poiché la componente AI elabora il flusso continuo di immagini per generare numeri e curve.
Per produrre il dispositivo indossabile stesso, i ricercatori hanno utilizzato un composito piezoelettrico legato con supporto Ag-epossidico come materiale per i trasduttori nell’imager a ultrasuoni, riducendo il rischio e migliorando l’efficienza rispetto ai metodi precedenti.
Nell’iterazione corrente, il cerotto viene collegato tramite cavi a un computer, che può scaricare automaticamente i dati mentre il cerotto è ancora attivo. Il team ha sviluppato un circuito wireless, che sarà trattato in una prossima pubblicazione.
Foto: David Baillot/ UC San Diego Jacobs School of Engineering
