Kỹ sư MIT phát triển thành công miếng dán có thể thấy bên trong cơ thể

Miếng dán siêu âm kích cỡ chỉ bằng một con tem, nhưng có khả năng tạo ra hình ảnh rõ nét của tim, phổi, và các cơ quan nội tạng khác trong cơ thể người dùng.

Dựng hình siêu âm là một giải pháp an toàn và không cần tiểu phẫu để quan sát bên trong cơ thể, giúp các bác sĩ thấy được trực tiếp hình ảnh nội tạng của các bệnh nhân. Để chụp được những bức ảnh này, các kỹ thuật viên tận dụng những chiếc ống kèm máy dò siêu âm để điều hướng sóng âm thanh vào trong cơ thể. Những sóng này sẽ dội ngược ra ngoài để cho chúng ta ảnh độ phân giải cao về tim, phổi, và các cơ quan khác nằm sâu trong cơ thể bệnh nhân.

Hiện nay, kỹ thuật dựng hình siêu âm đòi hỏi những thiết bị chuyên dụng cồng kềnh, vốn chỉ có tại bệnh viện và phòng khám của các bác sĩ. Nhưng nhờ thiết kế mới của các kỹ sư MIT, công nghệ này có thể hiện diện dưới dạng wearable và bất kỳ ai cũng có thể tiếp cận nó bằng cách mua một miếng dán vết thương tại nhà thuốc.

"Bạn có thể dính vài miếng dán lên nhiều vị trí khác nhau trên cơ thể, và chúng sẽ giao tiếp với điện thoại của bạn, kích hoạt các thuật toán AI để phân tích hình ảnh theo yêu cầu" - theo tác giả nghiên cứu, Xuanhe Zhao, giáo sư chuyên ngành chế tạo cơ khí và môi trường dân dụng tại MIT. "Chúng tôi tin rằng nghiên cứu sẽ mở ra một thời kỳ mới của dựng hình bằng wearable: với một vài miếng dán trên cơ thể, bạn sẽ có thể thấy được nội tạng của mình"

Một miếng dán siêu âm hiện nay.

Vấn đề còn tồn tại

Để dựng hình bằng siêu âm, kỹ thuật viên trước hết cần phết gel long lên da bệnh nhân, thứ đảm nhiệm vai trò trung gian truyền tải sóng siêu âm. Một que dò, hay bộ cảm biến, được ấn lên vùng gel đó và gửi sóng âm vào bên trong cơ thể. Sóng âm đập vào các cấu trúc nội tạng và dội ngược lại que dò, nơi tín hiệu dội lại được phân tích và chuyển đổi thành các hình ảnh rõ ràng.

Đối với các bệnh nhân cần chụp ảnh nội tạng trong thời gian dài, một số bệnh viện đưa ra giải pháp cố định que dò vào một cánh tay robot để giữ bộ cảm biến ở đúng vị trí mà không phải lo vấn đề mỏi tay; nhưng gel siêu âm lỏng có thể trôi mất và khô dần đi, làm gián đoạn quá trình chụp.

Trong vài năm trở lại đây, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu nhiều thiết kế nhằm cải tiến que dò siêu âm, từ đó mang lại một quy trình dựng ảnh nội tạng rẻ hơn, thoải mái và tiện lợi hơn. Nhưng thiết kế này ứng dụng một dãy cảm biến siêu âm linh hoạt siêu nhỏ, cho phép thiết bị có khả năng kéo giãn và thích ứng với cơ thể của bệnh nhân.

Nhưng những thiết kế đó chỉ cho ra hình ảnh độ phân giải thấp, một phần bởi khả năng kéo giãn của chúng: trong quá trình dịch chuyển với cơ thể, các cảm biến sẽ bị lệch khỏi vị trí ban đầu, dẫn đến biến dạng ảnh chụp được.

"Công cụ dựng hình siêu âm wearable sẽ có tiềm năng cực lớn trong chẩn đoán y khoa trong tương lai. Tuy nhiên, độ phân giải và độ dài quy trình chụp của loại miếng dán siêu âm hiện nay còn tương đối thấp, và không thể dựng hình những cơ quan ẩn sâu bên dưới được" - theo Chonghe Wang, sinh viên tốt nghiệp MIT.

Miếng dán siêu âm mới của MIT

Hướng tiếp cận mới

Miếng dán siêu âm mới của nhóm MIT cho ra hình ảnh độ phân giải cao hơn trong thời gian dài hơn bằng cách kết hợp một lớp keo dính linh hoạt với một dãy cảm biến cứng. "Sự kết hợp này cho phép thiết bị thích ứng với da bệnh nhân trong khi vẫn duy trì được vị trí của chúng, để cho ra hình ảnh rõ ràng hơn và chính xác hơn" - Wang nói.

Lớp keo dính của thiết bị được cấu thành từ hai lớp chất đàn hồi mỏng, kẹp giữa là một lớp hydrogel rắn, một vật liệu có thành phần chủ yếu là nước với khả năng dễ dàng truyền tải sóng âm. Không như các loại gel siêu âm truyền thống, hydrogel của nhóm MIT có độ dẻo và có thể thay đổi kích cỡ linh hoạt.

"Lớp đàn hồi ngăn hydrogel không bị mất nước" - theo Chen. "Chỉ khi hydrogel có nồng độ nước cao thì sóng âm mới có thể xâm nhập vào cơ thể một cách hiệu quả và cho ra hình ảnh độ phân giải cao về các cơ quan nội tạng.

Lớp đàn hồi ở dưới được thiết kế để dính vào da, trong khi lớp keo ở trên cùng thì dính vào một dãy cảm biến cứng cũng do nhóm thiết kế và chế tạo. Toàn bộ miếng dán siêu âm có diện tích chỉ khoảng 2 cm vuông và dày 3 mm - bằng một con tem bưu chính!

Miếng dán siêu âm được thử nghiệm trên nhiều tình nguyện viên khỏe mạnh, những người dán chúng lên nhiều phần của cơ thể, bao gồm cổ, ngực, bụng, và cánh tay. Những miếng dán này được giữ dính trên da họ và cho ra hình ảnh rõ nét về các cấu trúc bên dưới trong 48 giờ. Suốt thời gian đó, các tình nguyện viên thực hiện hàng loạt hoạt động trong phòng thí nghiệm, từ đứng lên, ngồi xuống, đi bộ, đạp xe, và nâng hạ các vật nặng nữa.

Từ hình ảnh thu được, nhóm nghiên cứu có thể quan sát sự thay đổi đường kính nhiều mạch máu chính khi người tham gia ngồi và đứng. Những miếng dán này còn chụp được nhiều chi tiết về các cơ quan sâu hơn, như sự thay đổi hình dạng của quả tim khi nó đập mạnh giữa các bài tập thể dục. Các nhà nghiên cứu còn quan sát được dạ dày phồng lên rồi xẹp xuống khi tình nguyện viên uống nước rồi đi tiểu. Và khi một số tình nguyên viên nhấc vật nặng, nhóm có thể thấy sự thay đổi trong các bó cơ, báo hiệu những vi thiệt hại tạm thời mà chúng gặp phải.

"Với kỹ thuật chụp ảnh này, chúng tôi có thể bắt được những khoảnh khắc trong quá trình tập luyện trước khi người sử dụng miếng dán tập quá đà, và ngăn họ lại trước khi cơ bắp bị căng thẳng" - Chen nói. "Chưa biết khoảnh khắc đó là khi nào, nhưng hiện chúng ta đã có thể cung cấp dữ liệu hình ảnh mà các chuyên gia có thể diễn giải khi nhìn vào đó"

Nhóm nghiên cứu đang phát triển khả năng vận hành không dây cho miếng dán. Họ còn đang tìm hiểu các thuật toán phần mềm dựa trên AI, để diễn giải và chẩn đoán tốt hơn ảnh thu được từ miếng dán. Zhao kỳ vọng những miếng dán siêu âm này có thể được đóng gói và bán cho bệnh nhân lẫn người tiêu dùng nói chung, và không chỉ được ứng dụng để giám sát nhiều cơ quan nội tạng, mà còn giám sát sự tiến triển của các khối u, cũng như quá trình phát triển của bào thai trong bụng mẹ.

"Chúng tôi hình dung sẽ bán những hộp miếng dán, mỗi miếng được thiết kế để chụp ảnh ở một vị trí khác nhau trong cơ thể" - Zhao nói. "Chúng tôi tin rằng đây là một đột phá trong lĩnh vực wearable và chụp ảnh y khoa".

Cập nhật: 02/08/2022 Trí Thức Trẻ