Inženjeri i lekari su razvili nosivi ultrazvučni uređaj koji može da proceni i strukturu i funkciju ljudskog srca. Prenosivi uređaj, koji je otprilike veličine poštanske marke, može se nositi do 24 sata i radi čak i tokom napornog vežbanja.
Cilj je da se ultrazvuk učini dostupnijim većoj populaciji, rekao je Šeng Ksu, profesor nanoinženjeringa na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu, koji vodi projekat. Trenutno, ehokardiogrami – ultrazvučni pregledi srca – zahtevaju visoko obučene tehničare i glomazne uređaje.
„Tehnologija omogućava svakome da koristi ultrazvučno snimanje u pokretu“, rekao je Ksu.
Zahvaljujući prilagođenim AI algoritmima, uređaj je sposoban da izmeri koliko krvi srce pumpa. Ovo je važno jer srce koje ne pumpa dovoljno krvi predstavlja koren većine kardiovaskularnih bolesti. A problemi sa radom srca se često manifestuju samo kada je telo u pokretu.
Rad je opisan u izdanju časopisa Nature od 25. januara.
Snimanje srca je suštinsko kliničko sredstvo za procenu dugoročnog zdravlja srca, otkrivanje problema kako nastaju i brigu o kritično bolesnim pacijentima. Ovaj novi nosivi, neinvazivni monitor srca za ljude pruža u realnom vremenu automatizovan uvid u teško uhvatljivu aktivnost pumpanja srca, čak i kada osoba vežba.
Nosivi sistem za praćenje srca koristi ultrazvuk da kontinuirano snima slike četiri komore srca u različitim uglovima i analizira klinički relevantan podskup slika u realnom vremenu koristeći prilagođenu AI tehnologiju. Projekat se zasniva na prethodnim napretcima tima u nosivim tehnologijama snimanja dubokih tkiva.
„Sve veći rizik od srčanih bolesti zahteva naprednije i inkluzivnije procedure praćenja“, rekao je Ksu. „Pružajući pacijentima i lekarima detaljnije detalje, kontinuirano praćenje srčane slike u realnom vremenu je spremno da fundamentalno optimizuje i preoblikuje paradigmu srčanih dijagnoza.
Za poređenje, postojeće neinvazivne metode imaju ograničene mogućnosti uzorkovanja i daju ograničene podatke. Tehnologija koja se može nositi od strane Ksuovog tima omogućava bezbedno, neinvazivno i visokokvalitetno snimanje srca, što rezultira slikama visoke prostorne rezolucije, vremenske rezolucije i kontrasta. „Takođe minimizira nelagodnost pacijenata i prevazilazi neka ograničenja neinvazivnih tehnologija kao što su CT i PET, koje bi mogle da izlože pacijente zračenju“, rekao je Hao Huang, dr. student u grupi Ksu na UC San Diego.
Jedinstveni dizajn senzora ga čini idealnim za tela u pokretu. „Uređaj se može pričvrstiti na grudni koš uz minimalno ograničenje kretanja subjekata, čak i pružajući kontinuirano snimanje srčanih aktivnosti pre, tokom i posle vežbanja“, rekao je Ksiaokiang Gao, postdoktorski istraživač u grupi Ksu na UC San Diego.
Bolesti srca su vodeći uzrok smrti među starijim osobama, a takođe postaju sve zastupljenije među mladima zbog faktora načina života. Znaci srčanih bolesti su prolazni i nepredvidivi, pa ih je teško uočiti. Ovo je povećalo potražnju za naprednijim, inkluzivnijim, neinvazivnim i isplativijim tehnologijama praćenja, kao što je dugoročno snimanje srca, koje ovaj nosivi uređaj olakšava.
Snimanje srca je jedan od najmoćnijih alata za skrining i dijagnostikovanje srčanih problema pre nego što postanu problemi. „Srce prolazi kroz sve vrste različitih patologija“, rekao je Hongjie Hu, postdoktorski istraživač u laboratoriji Ksu u UC San Diego. „Snimanje srca će otkriti istinitu priču ispod. Bilo da jaka, ali normalna kontrakcija srčanih komora dovodi do fluktuacije zapremine, ili da je došlo do srčanog morfološkog problema kao hitnog, praćenje slike u realnom vremenu na srcu govori cela slika sa živopisnim detaljima i vizuelnim efektom.“
Novi sistem prikuplja informacije preko nosivog flastera mekog poput ljudske kože, dizajniranog za optimalno prianjanje. Zakrpa ima dimenzije 1,9 cm (D) k 2,2 cm (Š) k 0,09 cm (T), otprilike veličine poštanske marke. On šalje i prima ultrazvučne talase koji se koriste za generisanje konstantnog toka slika strukture srca u realnom vremenu. Ovaj ultrazvučni flaster je mekan i rastegljiv i dobro prijanja na ljudsku kožu, čak i tokom vežbanja.
Sistem može da pregleda levu komoru srca u odvojenim prikazima u dve ravni koristeći ultrazvuk, generišući više klinički korisnih slika nego što je ranije bilo dostupno. Kao slučaj upotrebe, tim je pokazao snimanje srca tokom vežbanja, što nije moguće sa krutom, glomaznom opremom koja se koristi u kliničkim uslovima.
Rad srca karakterišu tri faktora: udarni volumen (zapremina krvi koju srce ispumpava svaki otkucaj), frakcija izbacivanja (procenat krvi ispumpane iz leve komore srca pri svakom otkucaju) i minutni volumen ( zapreminu krvi koju srce ispumpa svakog minuta).
Ksuov tim je razvio algoritam koji omogućava kontinuiranu automatsku obradu uz pomoć veštačke inteligencije.
„Model dubokog učenja automatski segmentira oblik leve komore iz kontinuiranog snimanja slike, izdvajajući njen volumen okvir po kadar i dajući talasne oblike za merenje udarnog volumena, minutnog volumena srca i ejekcione frakcije“, rekao je Mohan Li, student master studija u grupa Ksu na UC San Diego.
„Konkretno, AI komponenta uključuje model dubokog učenja za segmentaciju slike, algoritam za izračunavanje zapremine srca i algoritam imputacije podataka“, rekao je Ruikiang Ki, student master studija u grupi Ksu na UC San Diego. „Koristimo ovaj model mašinskog učenja za izračunavanje zapremine srca na osnovu oblika i površine segmentacije leve komore. Model dubokog učenja segmentacije slike je prvi koji je funkcionalizovan u ultrazvučnim uređajima koji se mogu nositi. Omogućava uređaju da obezbedi precizne i kontinuirani talasni oblici ključnih srčanih indeksa u različitim fizičkim stanjima, uključujući statična i posle vežbanja, što nikada ranije nije postignuto.“
Dakle, ova tehnologija može da generiše krive ova tri indeksa kontinuirano i neinvazivno, pošto komponenta veštačke inteligencije obrađuje kontinuirani tok slika da generiše brojeve i krive.
Da bi kreirao platformu, tim se suočio sa nekim tehničkim izazovima koji su zahtevali pažljivo donošenje odluka. Da bi proizveli sam uređaj za nošenje, istraživači su koristili piezoelektrični 1-3 kompozit povezan sa Ag-epoksidnom podlogom kao materijal za pretvarače u ultrazvučnom snimaču, smanjujući rizik i poboljšavajući efikasnost u odnosu na prethodne metode. Prilikom izbora konfiguracije prenosa niza transduktora, postigli su superiorne rezultate kroz prenos širokog snopa. Takođe su odabrali jedan od devet popularnih modela za segmentaciju slike zasnovanu na mašinskom učenju, sleteći na FCN-32, koji je postigao najveću moguću preciznost.
U trenutnoj iteraciji, zakrpa je povezana preko kablova sa računarom, koji može automatski da preuzme podatke dok je zakrpa još uvek uključena. Tim je razvio bežično kolo za zakrpu, o čemu će biti reči u sledećoj publikaciji.
Ksu planira da komercijalizuje ovu tehnologiju kroz Softsonics, kompaniju koja se odvojila od UC San Diego koju je osnovao sa inženjerom Shu Ksiangom. On takođe podstiče druge u svojoj naučnoj zajednici da slede njegovo vođstvo i rade na oblastima ovog istraživanja koje zahtevaju dalje istraživanje.
