Nositelný ultrazvukový senzor poskytuje neinvazivní léčbu s nastavitelným designem přizpůsobeným tělu

Konvenční nositelné ultrazvukové senzory byly omezeny nízkým výkonem a špatnou strukturální stabilitou, což je činí nevhodnými pro zobrazování s vysokým rozlišením nebo terapeutické aplikace.

Výzkumný tým KAIST nyní tyto problémy překonal vyvinutím flexibilního ultrazvuk senzor se staticky nastavitelným zakřivením. Tento průlom otevírá nové možnosti pro nositelná zdravotnická zařízení, která dokážou zachytit přesné snímky přizpůsobené tělu a provádět neinvazivní ošetření pomocí ultrazvukové energie.

Jak funguje nová technologie senzorů

Výzkumný tým vedený profesorkou Hyunjoo Jenny Lee ze School of Electrical Engineering vyvinul kapacitní mikroobrobený ultrazvukový měnič (CMUT) „flex-to-rigid (FTR)“ schopný volně přecházet mezi flexibilitou a tuhostí pomocí procesu polovodičových plátků (MEMS).

Výsledky jsou zveřejněno v npj Flexibilní elektronika.

Tým začlenil do zařízení slitinu s nízkým bodem tání (LMPA). Když elektrický proud při aplikaci se kov roztaví, což umožní konstrukci volně se deformovat; po ochlazení opět ztuhne a fixuje snímač do požadovaného zakřiveného tvaru.

Výhody oproti běžným ultrazvukovým senzorům

Konvenční CMUT na bázi polymerních membrán trpí nízkým modulem pružnosti, což má za následek nedostatečný akustický výkon a rozmazané ohniska během vibrací. Postrádaly také ovládání zakřivení, což omezuje přesné zaměření na cílové oblasti.

Tým profesora Lee navrhl strukturu FTR, která kombinuje tuhý křemíkový substrát s flexibilním elastomerovým můstkem, čímž dosahuje vysokého výstupního výkonu a mechanické flexibility. Zabudovaný LMPA umožňuje dynamické nastavení a fixaci tvaru snímače přepínáním mezi pevným a kapalným stavem pomocí elektrického ovládání.

Výsledkem je, že nový senzor dokáže automaticky zaostřit ultrazvuk na konkrétní oblast podle jejího zakřivení – aniž by vyžadoval samostatnou elektroniku pro vytváření paprsku – a zachovává si stabilní elektrický a akustický výkon i po opakovaném ohýbání.

Terapeutický potenciál a budoucí aplikace

Akustický výstup přístroje dosahuje úrovně fokusovaného ultrazvuku s nízkou intenzitou (LIFU), který dokáže jemně stimulovat tkáně k vyvolání léčebné účinky aniž by došlo k poškození. Experimenty na zvířecích modelech ukázaly, že neinvazivní stimulace sleziny snižuje zánět a zlepšuje pohyblivost v modelech artritidy.

V budoucnu tým plánuje rozšířit tuto technologii na dvourozměrnou (2D) strukturu pole – uspořádání více senzorů do mřížky – umožňující simultánní ultrazvukové zobrazování s vysokým rozlišením a terapeutické aplikace, čímž se připraví cesta pro novou generaci chytrých lékařských systémů.

Protože je tato technologie kompatibilní s procesy výroby polovodičů, může být sériově vyráběna a přizpůsobena pro nositelné a domácí ultrazvukové systémy.

Tuto studii provedli Sang-Mok Lee, Xiaojia Liang (spoluprvní autoři) a jejich spolupracovníci pod dohledem profesorky Hyunjoo Jenny Lee.