Le malattie cardiache sono una delle principali cause di morte al mondo. Ciò che le rende di difficile studio è la loro natura improvvisa: il paziente affetto da cardiopatia potrebbe manifestare sintomi in qualunque momento della giornata e risultare asintomatico al momento della visita. Gli esami tradizionali prevedono infatti il monitoraggio a spot delle funzioni cardiache, che potrebbe essere limitante per una visione globale della salute cardiovascolare. L’osservazione prolungata del cuore è uno strumento fondamentale sia per gli specialisti, supportati nella diagnosi, che per i pazienti. Recentemente, i cerotti hi-tech sono stati oggetto di numerose attenzioni. In questo contesto, un gruppo di ricercatori ha implementato un cerotto in grado di montare delle sonde ecografiche.
Dall’ECG dinamico all’ecografo indossabile
Ad oggi, i dispositivi per applicazioni cardiache con funzionalità holter – ovvero che permettono il monitoraggio prolungato – si limitano ad eseguire l’elettrocardiogramma. Attraverso il prelievo dei biopotenziali si valuta unicamente l’attività elettrica del cuore. L’esecuzione dell’esame prevede l’applicazione degli elettrodi sul torace, che non devono essere rimossi per tutta la durata dell’test.
Risultano quindi adatti a pazienti in età avanzata, o comunque che non eseguono una particolare attività fisica, e sono tipicamente usati per monitorare aritmie sospette che non emergono neppure quando l’ECG viene eseguito sotto sforzo.
L’ecocardiogramma, invece, studia la morfologia del muscolo cardiaco con tutto il suo sistema di valvole e vasi che ne permettono la funzione di pompa. In particolare, l’ecocardiogramma da stress (ecostress) consente di avere un’immagine in tempo reale di cosa succede a livello cardiaco quando il paziente è sottoposto a stress fisico o farmacologico. Permette quindi di rilevare ischemie e malattie coronariche.
Negli ultimi anni, i dispositivi indossabili riscuotono successo per il loro grado di non invasività: possono essere indossati e “dimenticati” dal paziente, permettendo un monitoraggio in tempo reale di diversi parametri vitali. Nel Febbraio 2021, la rivista Nature Biomedical Engineering ha pubblicato una ricerca che presentava un dispositivo elettronico indossabile capace di misurare simultaneamente funzioni emodinamiche e metaboliche.
- Ne abbiamo parlato in questo articolo: Nuovo sensore all-in-one: un cerotto epidermico monitora la salute.
“Wearable ultrasounds”: strategie e performance
Sulla falsariga di questa tecnologia, un gruppo di ricercatori ha sviluppato un cerotto ecografico che, sfruttando gli ultrasuoni, permette di guardare cosa succede all’interno del cuore in tempo reale. Proprio come il gold standard dell’imaging ecografico, questo dispositivo sfrutta dei cristalli piezoelettrici per produrre ultrasuoni – cioè onde meccaniche che, dopo aver attraversato i tessuti, vengono riflesse verso la sorgente che li ha prodotti, dove opportuni trasduttori convertono gli echi in segnali elettrici, poi tradotti in immagine ecografica dal computer.
Il dispositivo implementato si presenta come uno sticker multistrato dalla dimensione di un francobollo (Figura 1). Gli strati esterni hanno funzione meccanica, e costituiscono una membrana in SEBS – polimero forte, flessibile e resistente al calore. Gli elettrodi di metallo liquido (miscela euttettica di indio e gallio) svolgono la funzione di accoppiamento. Infine, lo strato centrale contiene gli array di materiale piezoelettrico, che svolgono la funzione diagnostica.
Per avere una visione completa dell’organo, la prassi clinica vuole che i trasduttori guardino l’organo in due direzioni ortogonali, ruotando la sonda ecografica. Per ottenere questo risultato senza necessità di ruotare il cerotto, il dispositivo implementato presenta due array ortogonali disposti a croce.
Ecografi commerciali vs indossabili: tecnologie a confronto
La frequenza di lavoro è stata impostata a 3 MHz, tipica delle onde ultrasonore, e in particolare delle sonde per applicazioni cardiache. Le performance del cerotto sono state in primis valutate su fantoccio, valutando che i parametri standard fossero consistenti con quelli di un ecografo commerciale:
- Rapporto segnale-rumore (signal to noise ratio, SNR): è definito come rapporto tra la potenza del segnale e la potenza del rumore. Risulta tra i 30 e i 45 dB con una sonda a fascio largo – miglior risultato tra le diverse strategie di trasmissione valutate. Per tutto l’esperimento viene quindi preferita una modalità di trasmissione “wide beam”.
- Risoluzione spaziale: definita come la capacità di distinguere oggetti tra loro ravvicinati, si misura nelle direzioni parallela (risoluzione assiale) e ortogonale (risoluzione laterale) rispetto alla direzione del fascio. La risoluzione assiale resta costante con la profondità – in quanto il suo valore dipende unicamente dalla frequenza e dalla lunghezza d’onda dell’array di trasduttori. La risoluzione laterale invece presenta valore massimo al centro del fascio, poiché dipende, oltre che dalla frequenza, dal raggio del fascio ultrasonoro.
- Accuratezza: la corrispondenza tra il bersaglio reale e l’immagine ottenuta risulta, nelle direzioni assiale e laterale, rispettivamente al 96.01% e al 95.90%.
- Intervallo dinamico: il range tra i valori minimi e massimi in ampiezza dell’onda meccanica risulta di 63.2 dB – contro i 60 dB delle applicazioni tradizionali.
- Rapporto contrasto rumore (contrast to noise ratio, CNR): è una metrica simile al SNR, importante quando è presente una distorsione dell’immagine. Questo device presenta valori di CNR nel range tra 0.63 e 2.07, anche in questo caso paragonabili all’ecografia canonica.
Bioimmagini e intelligenza artificiale: il modello FCN-32
Dopo i parametri standard, i ricercatori hanno valutato gli aspetti critici del dispositivo dovuti alla sua flessibilità. Quando applicati sul torace del paziente, gli array di trasduttori potrebbero generare degli artefatti dovuti all’irregolarità della superficie. Tuttavia, le immagini opportunamente elaborate presentano una qualità appena inferiore rispetto a quelle degli ecografi commerciali, trascurabile se relazionata a tutti i benefici che la tecnologia apporta (Figura 2).
Poiché lo scopo della tecnologia è fornire informazioni importanti su salute cardiovascolare e performance emodinamiche, i ricercatori hanno integrato la tecnologia con un tool di machine-learning che hanno chiamato FCN-32. Questo nasce per processare continuamente le informazioni provenienti dal flusso di immagini – come volume sistolico e gittata cardiaca – sotto forma di grafici o forme d’onda (Figura 3).
L’algoritmo permette quindi di interpretare le informazioni provenienti dal cerotto e dedurne degli andamenti, fornendo informazioni chiave sul quadro generale della salute cardiaca.
Conclusioni e sviluppi futuri
Le tecnologie wearable sono oggetto di numerose ricerche e i cerotti hi-tech hanno subito numerose attenzioni per poter essere adattati a diverse applicazioni. I ricercatori del MIT sono riusciti a portare delle sonde rigide su un elastomero fonotrasparente, sviluppando un dispositivo indossabile in grado di trasmettere le onde acustiche all’interno del corpo. Quindi, questa tecnologia è stata ulteriormente studiata per adattarla all’applicazione cardiaca e affiancata con un algoritmo basato sull’intelligenza artificiale.
Per adesso il limite del dispositivo resta il fatto che questo deve essere fisicamente collegato ad un elaboratore affinché le immagini vengano processate per fornire informazioni cliniche rilevanti, ma il team sta lavorando per rendere il dispositivo wireless. Ciò che il panorama della ricerca ha ottenuto è la possibilità di eseguire un’ecografia con un dispositivo dal minimo ingombro, senza un operatore che tenga le sonde sul paziente. Il cerotto ad ultrasuoni apre infine la strada ad altre applicazioni, come il monitoraggio di tessuti malati o della crescita tumorale.
This can potentially change the paradigm of medical imaging by empowering long-term continuous imaging, and it can change the paradigm of the field of wearable devices.
Prof. Xuanhe Zhao, ricercatore al MIT
Fonti ed approfondimenti
- Nature Biomedical Engineering – An epidermal patch for the simultaneous monitoring of haemodynamic and metabolic biomarkers
- Nature – A wearable cardiac utrasound imager
- MIT News – MIT engineers develop stickers that can see inside the body
