MITの技術者らが、皮膚に貼り付けて内臓を48時間にわたり連続撮像できる、切手大の装置を開発した。
この技術は、主要な血管や深部の臓器をリアルタイムで高解像度撮像でき、臨床診断の将来に大きな可能性を秘めている。
研究チームは、装置をワイヤレスで動作させる取り組みを進めている。実現すれば、患者が診療所から持ち帰ったり、薬局で購入したりできる、身に着けられる手軽な画像診断製品になる可能性がある。
超音波画像診断は、安全で非侵襲的に体内の働きを見る手段であり、臨床医に患者の内臓のリアルタイム画像を提供する。画像を撮影するため、訓練を受けた技師が超音波スティックやプローブを操作し、体内に音波を送る。音波は反射して戻り、患者の心臓、肺、その他の深部臓器の高解像度画像を生成する。
現在、超音波画像診断には大型の専用機器が必要で、利用できるのは病院や診療所に限られている。しかし、MITの技術者らによる新たな設計によって、この技術は薬局で絆創膏を買うのと同じくらい身近で、身に着けられるものになるかもしれない。
「論文本日、サイエンス誌に掲載された論文で、技術者らは新しい超音波ステッカーの設計を発表した。皮膚に貼り付ける切手大の装置で、内臓を48時間にわたり連続撮像できる。
研究者らはボランティアにステッカーを貼り、主要な血管や心臓、肺、胃などの深部臓器をリアルタイムで高解像度撮像できることを示した。ステッカーは強い接着力を保ち、ボランティアが座る、立つ、ジョギングする、自転車に乗るなど、さまざまな活動を行う間も、下にある臓器の変化を捉えた。
現在の設計では、反射した音波を画像に変換する機器にステッカーを接続する必要がある。研究者らは、現行の形でもすぐに応用できる可能性があると指摘する。たとえば、心臓をモニターする心電図（EKG）用ステッカーと同様に、病院の患者に貼り付ければ、技師が長時間プローブを押さえることなく、内臓を連続撮像できる。
装置をワイヤレスで動作させることができれば――研究チームは現在その実現に取り組んでいる――超音波ステッカーを、患者が診療所から持ち帰ったり、薬局で購入したりできるウェアラブル画像診断製品にできる。
「体のさまざまな場所にいくつかのパッチを貼り、パッチを携帯電話と通信させて、必要に応じてAIアルゴリズムが画像を解析するという構想です」と、研究の責任著者で、MITの機械工学および土木・環境工学教授であるシュアンヘ・ジャオ氏は述べる。「ウェアラブル画像診断の新時代を切り開いたと考えています。体にいくつかパッチを貼れば、内臓を見ることができるのです。」
この研究には、筆頭著者のチョンヘ・ワン氏とシャオユー・チェン氏、共著者のリウ・ワン氏、マキハタ・ミツトシ氏、タオ・ジャオ氏（以上MIT）、およびミネソタ州ロチェスターのメイヨー・クリニックに所属するシャオチュアン・リウ氏も参加している。
接着にまつわる課題
超音波で画像を撮る際、技師はまず患者の皮膚に液状のゲルを塗り、超音波を伝えやすくする。次に、プローブ（トランスデューサー）をゲルに押し当て、音波を体内に送り込む。音波は体内の構造に当たって反射し、プローブに戻る。そこで反射信号が視覚画像に変換される。
長時間の撮像が必要な患者のため、一部の病院ではロボットアームに取り付けたプローブを使い、疲れることなくトランスデューサーを所定の位置に保持している。しかし、液状の超音波ゲルは時間とともに流れ落ちて乾燥するため、長時間の撮像が中断される。
近年、研究者らは、内臓を携帯可能な薄型装置で撮像する、伸縮性のある超音波プローブの設計を検討してきた。これらの設計では、小型の超音波トランスデューサーを柔軟なアレイ状に配置し、装置が伸縮して患者の体に沿うことを想定していた。
しかし、こうした実験的な設計では、解像度の低い画像しか得られなかった。原因の一つは伸縮性にある。体の動きに合わせてトランスデューサー同士の位置がずれ、結果として画像が歪んでしまう。
「ウェアラブル超音波画像診断装置は、臨床診断の将来に大きな可能性をもたらすでしょう。しかし、既存の超音波パッチは解像度と撮像時間が比較的限られており、深部臓器を撮像できません」と、MITの大学院生であるチョンヘ・ワン氏は述べる。
体内をのぞく
MITチームの新しい超音波ステッカーは、伸縮性のある粘着層と、剛性のあるトランスデューサーアレイを組み合わせることで、より長時間にわたり高解像度の画像を生成する。「この組み合わせにより、装置は皮膚に沿いながら、トランスデューサー同士の相対位置を保ち、より鮮明で精密な画像を生成できます」とワン氏は述べる。
装置の粘着層は、中央の固体ハイドロゲル層を挟む2枚の薄いエラストマー層でできている。ハイドロゲルは主に水から成る素材で、音波を容易に伝える。従来の超音波ゲルと異なり、MITチームのハイドロゲルは弾力性と伸縮性を備えている。
「エラストマーがハイドロゲルの乾燥を防ぎます」と、MITの博士研究員であるチェン氏は述べる。「ハイドロゲルが十分に水分を含んでいるときにのみ、音波が効果的に透過し、内臓の高解像度画像を得られます。」
下側のエラストマー層は皮膚に貼り付くよう設計され、上側の層はチームが設計・製作した剛性のあるトランスデューサーアレイに接着する。超音波ステッカー全体の大きさは約2平方センチメートル、厚さは3ミリメートルで、面積はおよそ切手大だ。
研究者らは健康なボランティアを対象に、超音波ステッカーの一連の試験を実施した。ボランティアは首、胸、腹部、腕など、体のさまざまな部位にステッカーを貼った。ステッカーは皮膚に接着したまま、最大48時間にわたり、下にある構造を鮮明に撮像した。この間、ボランティアは実験室で座る、立つ、ジョギングする、自転車に乗る、ウエイトを持ち上げるなど、さまざまな活動を行った。
ステッカーの画像から、チームは座位と立位で主要な血管の直径が変化する様子を観察できた。また、運動中に心臓が力を発揮するにつれて形を変える様子など、深部臓器の詳細も捉えた。ボランティアがジュースを飲んだ後、消化管を通して体外に排出するまでの間に、胃が膨らんでから縮む様子も観察できた。さらに、ボランティアがウエイトを持ち上げると、筋肉の下に明るいパターンが現れるのを検出できた。これは一時的な微小損傷を示している。
「画像診断を使えば、運動中に過負荷がかかる前のタイミングを捉え、筋肉が痛くなる前に運動を止められるかもしれません」とチェン氏は述べる。「そのタイミングがいつなのかはまだ分かりませんが、専門家が解釈できる画像データを提供できるようになりました。」
チームはステッカーをワイヤレスで動作させる取り組みを進めている。また、人工知能に基づくソフトウェアアルゴリズムを開発し、ステッカーの画像をより適切に解釈して診断に役立てようとしている。さらにジャオ氏は、超音波ステッカーをパッケージ化して患者や消費者が購入できるようにし、さまざまな内臓のモニタリングに加え、腫瘍の進行や子宮内の胎児の発育の観察にも使うことを構想している。
「体のさまざまな部位を撮像するため、それぞれ異なる設計のステッカーを箱詰めにして販売できると考えています」とジャオ氏は述べる。「これはウェアラブル機器と医療画像診断における画期的な進歩だと考えています。」
この研究は、MIT、国防高等研究計画局、全米科学財団、国立衛生研究所、およびMIT兵士ナノテクノロジー研究所を通じた米陸軍研究局から、一部資金提供を受けた。
