Учёные разработали устройство, которое позволит создавать в режиме реального времени перспективное трёхмерное изображение сердца, коронарных артерий и периферических кровеносных сосудов. С помощью объёмной визуализации новое устройство улучшит точность работы хирурга, оперирующего на сердце, и, возможно, позволит очистить закупоренные артерии пациентов без серьёзного вмешательства.
"Наше устройство позволит врачам получить объёмное изображение кровеносного сосуда, – рассказывает Ф. Левент Дегертекин (F. Levent Degertekin), профессор школы инженерной механики при технологическом институте Джорджии. – Это даст кардиологии возможность разглядеть артерии с нарушением проходимости. У него есть потенциал для сокращения количества операций, необходимых для полной очистки закупоренного сосуда".
В устройстве на одном кремниевом чипе размером в 1,4 миллиметра объединены ультразвуковые датчики и электронные процессоры. Обработку сигналов производят более ста элементов, данные между которыми передаются с помощью всего 13 крошечных проводков. Миниатюрные размеры изобретения помогают ему легко путешествовать через кровеносные сосуды. Изображения, получаемые с его помощью, обеспечат докторов значительно более точной информацией, чем существующие методы поперечного сечения и ультразвуковой диагностики.
"Если вы врач, то, конечно, желаете увидеть, что происходит внутри артерий и внутри сердца, однако большинство устройств, используемых сегодня, способны дать лишь изображение поперечного сечения, – поясняет Дегертекин. – Если перед вами артерия, которая полностью блокирована, нужна система, способная показать её состояние полностью: спереди, сзади, боковые стенки. На данный момент нет других технологий, которые могут предоставить такую информацию".
Устройство с одной микросхемой сочетает в себе массивы ёмкостных микроскопических ультразвуковых преобразователей (CMUT) с технологией электроники с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник (КМОП), способных построить трёхмерные изображения внутрисосудистого ультразвука (IVUS) и внутрисердечной эхографии.
Энергосберегающая схема датчиков включается, когда они не используется, что позволяет устройству работать с 20 милливаттами энергии, уменьшая количество вырабатываемого внутри тела тепла. Ультразвуковые преобразователи работают с частотой 30 МГц.
Устройства обработки изображений, действующие прямо в кровеносных сосудах, способны дать изображение с более высоким разрешением, нежели устройства, используемые снаружи тела (первые могут использовать более высокие частоты). Но работа внутри кровеносных сосудов требует такого устройства, которое будет достаточно маленьким и гибким, чтобы путешествовать через кровеносную систему. Также оно должно не терять работоспособности в крови.
Такие параметры требуют большого количества элементов для передачи и приёма ультразвуковой информации. Для отправки данных на внешнее оборудование требуются провода, потенциально ограничивающие возможности устройства.
Дегертекин и его сотрудники миниатюризировали элементы. Внутри нового устройства 56 ультразвуковых элементов для передачи информации и 48 для получения. В собранном виде устройство имеет форму пончика – 1,5 миллиметра в диаметре с 430-микронным центральным отверстием для размещения направляющего катетера. Нынешний прототип способен передавать изображения со скоростью 60 кадров в секунду.
Следующим шагом являются исследования на животных − первый шаг к коммерциализации устройства. Затем, возможно, технология будет лицензирована. Исследование проходит при поддержке Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии США (NIBIB).
В будущем Дегертекин надеется разработать ещё одну версию устройства, которую можно было бы использовать во время операций на сердце под МРТ, а также уменьшить размеры изобретения, чтобы поместить его на направляющий катетер диаметром 400 мкм.
С подробностями исследования и разработки можно ознакомиться, прочитав статью в журнале IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control.
Также по теме:
Имплантаты смогут работать на протяжении всей жизни человека
Физики собрали нанокомпьютер, нарушающий закон Мура
Графеновые наноантенны обеспечат радиосвязь будущего
Французы создали первый одномолекулярный светодиод
Биоручка поможет врачам дорисовывать костные ткани
