Desarrollo de un sistema totalmente integrado para la monitorización de tejidos profundos

Un equipo de ingenieros de la Universidad de California en San Diego ha desarrollado el primer sistema de ultrasonido portátil totalmente integrado para el monitoreo de tejidos profundos, incluidos sujetos en movimiento. Facilita la monitorización cardiovascular que puede salvar vidas y marca un gran paso adelante para uno de los laboratorios de ultrasonido portátiles líderes en el mundo. El artículo, «Un sistema de ultrasonido portátil completamente integrado para monitorear tejido profundo en sujetos en movimiento», se publica en la edición del 22 de mayo de 2023 de Nature Biotechnology.

«Este proyecto ofrece una solución completa para la tecnología de ultrasonido portátil: no solo el sensor portátil sino también la electrónica de control se fabrican en factores de forma portátiles», dijo el Ph.D. Muyang Lin. candidato en el Departamento de Nanoingeniería de UC San Diego y primer autor del estudio. «Hemos creado un dispositivo verdaderamente portátil que puede detectar de forma inalámbrica los signos vitales en el tejido profundo».

La investigación surge del laboratorio de Sheng Xu, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor correspondiente del estudio.

Este sistema de parche ultrasónico portátil autónomo y totalmente integrado se basa en el trabajo anterior del laboratorio en el diseño de sensores ultrasónicos blandos. Sin embargo, todos los sensores ultrasónicos blandos más antiguos requieren ataduras para la transmisión de datos y energía, lo que limita en gran medida la movilidad del usuario. En este trabajo, incluye un circuito controlador pequeño y flexible que se comunica con una serie de transductores ultrasónicos para recopilar y transmitir datos de forma inalámbrica. Un componente de aprendizaje automático ayuda a interpretar datos y rastrear sujetos en movimiento.

Según los hallazgos del laboratorio, el sistema de ultrasonido de parche permite el monitoreo continuo de señales fisiológicas de tejidos de hasta 164 mm de profundidad, midiendo continuamente la presión arterial central, la frecuencia cardíaca, el gasto cardíaco y otras señales fisiológicas hasta ‘a las doce en punto’. tiempo.

«Esta tecnología tiene mucho potencial para salvar y mejorar vidas», dijo Lin. “El sensor puede evaluar la función cardiovascular mientras está en movimiento. Los valores anormales de presión arterial y gasto cardíaco, en reposo o durante el ejercicio, son características de insuficiencia cardíaca. Para poblaciones sanas, nuestro dispositivo puede medir las respuestas cardiovasculares al ejercicio en tiempo real y así proporcionar información sobre la intensidad real de entrenamiento ejercida por cada persona, lo que puede orientar la formulación de planes de entrenamiento personalizados.

El sistema de ultrasonido de parche también representa un gran avance en el desarrollo de Internet of Medical Things (IoMT), un término para una red de dispositivos médicos conectados a Internet, que transmite de forma inalámbrica señales fisiológicas a la nube con fines informáticos, analíticos y profesionales. diagnóstico.

Gracias a los avances tecnológicos y al arduo trabajo de los médicos en las últimas décadas, el ultrasonido ha ganado una ola constante de interés, y el laboratorio Xu a menudo se menciona desde el primer momento como un líder temprano y duradero en el campo, particularmente en equipos portátiles. ultrasonido. . El laboratorio tomó dispositivos fijos y portátiles y los hizo expandibles y portátiles, impulsando una transformación en el panorama de monitoreo de atención médica. Su fuerza radica en parte en su estrecha colaboración con los médicos. «Aunque somos ingenieros, conocemos los problemas médicos a los que se enfrentan los médicos», dijo Lin. “Tenemos una estrecha relación con nuestros colaboradores clínicos y siempre recibimos valiosos comentarios de ellos. Esta nueva tecnología de ultrasonido portátil es una solución única para muchos desafíos de monitoreo de signos vitales en la práctica clínica.

Mientras desarrollaba su última innovación, el equipo se sorprendió al descubrir que tenía más capacidades de las que se esperaba originalmente.

«Al comienzo de este proyecto, nuestro objetivo era construir un sensor de presión arterial inalámbrico», dijo Lin. «Más tarde, mientras hacíamos el circuito, diseñábamos el algoritmo y recopilábamos información clínica, pensamos que este sistema podría medir muchos más parámetros fisiológicos críticos que la presión arterial, como el gasto cardíaco, la rigidez arterial, el volumen espiratorio y más, todos que son parámetros esenciales para el cuidado diario de la salud o el seguimiento hospitalario.

Además, cuando el sujeto se está moviendo, habrá un movimiento relativo entre el sensor ultrasónico portátil y el tejido objetivo, lo que requerirá un reajuste manual frecuente del sensor ultrasónico portátil para seguir el objetivo en movimiento. En este trabajo, el equipo desarrolló un algoritmo de aprendizaje automático para analizar automáticamente las señales recibidas y elegir el canal más apropiado para rastrear el objetivo en movimiento.

Sin embargo, cuando el algoritmo se entrena con datos de un sujeto, este aprendizaje puede no ser transferible a otros sujetos, lo que hace que los resultados sean inconsistentes y poco confiables.

«Finalmente hicimos que la generalización del modelo de aprendizaje automático funcionara aplicando un algoritmo de adaptación avanzado», dijo Ziyang Zhang, estudiante de maestría en el Departamento de Ciencias de la Computación e Ingeniería de UC San Diego y compañía, primer autor del artículo. «Este algoritmo puede minimizar automáticamente las discrepancias en la distribución de dominios entre diferentes temas, lo que significa que la inteligencia artificial se puede transferir de un tema a otro. Podemos entrenar el algoritmo en un tema y aplicarlo a muchos otros temas nuevos con un reciclaje mínimo».

En el futuro, el sensor se probará con poblaciones más grandes. «Hasta ahora, solo hemos validado el rendimiento del dispositivo en una población pequeña pero diversa», dijo Xiaoxiang Gao, investigador postdoctoral en el Departamento de Nanoingeniería de UC San Diego y coautor principal del estudio. «Mientras visualizamos este dispositivo como la próxima generación de dispositivos de monitoreo de tejidos profundos, los ensayos clínicos son nuestro próximo paso».

Xu es cofundador de Softsonics, LLC, que planea comercializar la tecnología.

Referencia: Lin M, Zhang Z, Gao X, et al. Un sistema de ultrasonido portátil totalmente integrado para monitorear tejido profundo en sujetos en movimiento. Nat biotecnología. 2023. hacer: 10.1038/s41587-023-01800-0

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