Inženjeri na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu razvili su ultrazvučni uređaj koji se može nositi koji može da obezbedi dugotrajno, bežično praćenje mišićne aktivnosti sa potencijalnim primenama u zdravstvenoj zaštiti i interfejsima čovek-mašina. Dizajniran da se lepi za kožu slojem lepka i napaja se baterijom, uređaj omogućava praćenje mišićne funkcije visoke rezolucije bez invazivnih procedura.
Tim istraživača predvođen Šengom Ksuom, profesorom i stipendistom fakulteta Jacobs na porodičnom odseku za hemijsko i nano inženjerstvo Aiiso Iufeng Li na UC San Diego, objavio je svoj rad 31. oktobra u Nature Electronics. Rad je bio zajednički projekat sa Jinghong Lijem, pulmologom, specijalistom intenzivne nege i profesorom medicine na UC San Diego Health.
U testovima, uređaj je nošen preko grudnog koša da bi se pratilo kretanje i debljina dijafragme, što je korisno za procenu zdravlja disajnih puteva. „Praćenjem aktivnosti dijafragme, tehnologija bi potencijalno mogla da podrži pacijente sa respiratornim poremećajima i onima koji se oslanjaju na mehaničku ventilaciju“, rekao je Džozef Vang, ugledni profesor na porodičnom odeljenju za hemijsko i nano inženjerstvo Aiiso Iufeng Li, koji je koautor studije. studija.
Pored toga, istraživači su uspešno koristili uređaj na podlaktici za snimanje aktivnosti mišića šake i zgloba, što je omogućilo njegovu upotrebu kao interfejs čovek-mašina za kontrolu robotske ruke i igranje virtuelne igre.
Ova ultrazvučna tehnologija koja se može nositi može ponuditi obećavajuću novu alternativu trenutnom kliničkom standardu, elektromiografiji (EMG), koja uključuje nanošenje metalnih elektroda na kožu za snimanje električne aktivnosti mišića. Uprkos dugogodišnjoj upotrebi EMG-a, on pati od niske rezolucije i slabih signala. Na primer, signali iz više mišićnih vlakana se često mešaju, što čini izazovom izolovati doprinose specifičnih mišićnih vlakana.
Ultrazvuk, međutim, pruža slike visoke rezolucije prodiranjem u duboka tkiva, nudeći detaljan uvid u funkciju mišića. Ultrazvučna tehnologija koju su razvili Ksuov tim i njihovi saradnici ima dodatne prednosti u tome što je kompaktna, bežična i male snage.
„Ovu tehnologiju potencijalno mogu da nose pojedinci tokom svojih svakodnevnih rutina radi kontinuiranog, dugoročnog praćenja“, rekao je koautor studije Ksiangjun Chen, doktorant u programu nauke o materijalima i inženjeringu na UC San Diego.
Uređaj je smešten u fleksibilno kućište od silikonskog elastomera i sastoji se od tri glavne komponente: jednog transduktora za slanje i prijem ultrazvučnih talasa; prilagođeno bežično kolo koje kontroliše pretvarač, snima podatke i bežično prenosi podatke na računar; i litijum-polimersku bateriju koja može da napaja sistem najmanje tri sata.
Ključna inovacija ovog rada je upotreba jednog ultrazvučnog pretvarača za efikasno otkrivanje dubokih tkiva. Transduktor emituje ultrazvučne talase kontrolisane intenzitetom i hvata radiofrekventne signale koji nose bogate informacije, omogućavajući kliničke primene kao što je merenje debljine dijafragme. Koristeći ove signale, uređaj može postići visoku prostornu rezoluciju, što je ključno za izolovanje specifičnih pokreta mišića.
Da bi izvukli dodatne uvide iz ovih signala, istraživači su razvili algoritam veštačke inteligencije koji preslikava signale na njihove odgovarajuće mišićne distribucije, omogućavajući mu da identifikuje specifične pokrete ruku iz prikupljenih signala sa visokom preciznošću i pouzdanošću.
Kada se nosi na grudnom košu, uređaj može precizno da prati debljinu dijafragme sa submilimetarskom preciznošću. Debljina dijafragme je metrika koja se koristi u klinici za procenu disfunkcije dijafragme i predviđanje ishoda kod pacijenata sa ventilacijom. Analizirajući kretanje mišića, istraživači su takođe mogli da otkriju različite obrasce disanja, kao što su plitki i duboki udisaji.
Ova funkcionalnost može pomoći u dijagnosticiranju stanja povezanih sa nepravilnostima u disanju, kao što su astma, pneumonija i hronična opstruktivna plućna bolest (HOBP). U ispitivanju u maloj grupi, uređaj je uspešno razlikovao obrasce disanja osoba sa HOBP od onih zdravih učesnika.
„Ovo pokazuje potencijal tehnologije za kliničku primenu u respiratornoj nezi“, rekao je koautor studije Muiang Lin, postdoktorski istraživač na porodičnom odeljenju za hemijsko i nano inženjerstvo Aiiso Iufeng Li na UC San Diego.
Kada se nosi na podlaktici, uređaj nudi precizno praćenje pokreta mišića u šakama i zglobovima. Zahvaljujući algoritmu veštačke inteligencije koji je tim razvio, sistem je sposoban da prepozna različite pokrete ruku isključivo na osnovu ultrazvučnih signala. Sistem je u stanju da prepozna 13 stepeni slobode, pokrivajući 10 zglobova prstiju i tri ugla rotacije ručnog zgloba. Kao rezultat, može da uhvati čak i blage pokrete zgloba i prstiju sa visokom osetljivošću.
U testovima dokazivanja koncepta, učesnici su koristili uređaj na podlakticama da kontrolišu robotsku ruku za pipetiranje vode u čaše. U drugoj demonstraciji, koristili su uređaj da igraju virtuelnu igru, koristeći pokrete zgloba da kontrolišu let virtuelne ptice kroz prepreke.
„Ove demonstracije naglašavaju potencijal tehnologije za protetiku, igre i druge aplikacije interfejsa čovek-mašina“, rekao je koautor studije Ventong Iue, dr. kandidat na porodičnom odeljenju za hemijsko i nano inženjerstvo Aiiso Iufeng Li na UC San Diego.
Idući dalje, istraživači planiraju da poboljšaju tačnost tehnologije, prenosivost, energetsku efikasnost i računarske mogućnosti.
