切手サイズの超音波パッチで内臓を画像化できる

患者が胃の超音波検査を受けるためにクリニックを訪れると、診察台の上に置かれたしわくちゃの紙の上に横たわります。医師は患者の腹部に厚い粘液を塗り、小さなプローブを押し当てて音波を患者の体内に送り込みます。音波は軟部組織や体液に反射し、プローブに戻って2D画像に変換されます。プローブが患者の胃の上を移動すると、ぼやけた白黒画像が画面に表示され、医師はそれを読みます。

超音波技術は多くの医療現場で欠かせないものですが、多くの場合、大きくてかさばります。マサチューセッツ工科大学の機械工学者、シュアンヘ・チャオ氏は、この技術全体を小型化・簡素化し、ウェアラブル化することを目指しています。本日Science誌に掲載された論文で、チャオ氏と彼のチームは、皮膚に貼り付けることで皮膚の下にあるものの高解像度画像を提供できる小型超音波パッチの開発について説明しています。科学者たちは、この技術によって超音波による長期モニタリングが快適になり、診療所ではなく自宅でも使用できるようになることを期待しています。

超音波装置は非常に大きく、診察が必要となるため、その画像化能力は「数秒間という短期的なもの」であることが多く、臓器の経時的な変化を観察する能力が限られていると趙氏は言います。例えば、医師は患者の肺が薬を服用したり運動したりした後にどのように変化するかを観察したい場合があり、これは診察内では困難です。こうした問題に対処するため、科学者たちは約1平方インチの大きさで厚さ数ミリのパッチを設計しました。これは体のほぼどこにでも貼り付けることができ、数日間装着できます。「まるで切手のような見た目です」と趙氏は言います。

このパッチは、キャ​​ンディウエハースのように多層構造で、2つの主要部品で構成されています。1つは超音波プローブで、このプローブはカプラント（接触触媒）の上に積み重ねられています。カプラントは、プローブから体内への音波の伝達を促進する材料です。研究者たちは、2つの回路の間に挟まれた2次元の圧電素子（トランスデューサー）アレイを用いて、薄くて硬いプローブを設計しました。本研究の共著者の一人であるChonghe Wang氏は、これらの素子は「電気エネルギーを機械的な振動に変換できる」と述べています。この振動は波として体内に伝わり、体外の画像化システムに反射して画像に変換されます。Wang氏はさらに、これらの振動は「完全に非侵襲性で、人体は全く感じません」と付け加えています。

超音波プローブの製造にあたり、科学者たちは3Dプリンティング、レーザーマイクロマシニング、そして光を用いて感光性材料にパターンを形成するフォトリソグラフィー技術を駆使した。その後、プローブはエポキシ樹脂でコーティングされ、汗などの水によるダメージから保護される。これらの技術は高スループットであるため、1つのデバイスを約2分で製造できると科学者らは述べている。

ゼリー状の接触媒質層は、超音波が体内に伝わるのを助けます。この層は、水分を保持するポリウレタン層で保護されたハイドロゲル層を含んでいます。これら全てが、強力な接着剤のような働きをする薄いポリマー混合物でコーティングされており、パッチ全体をしっかりと密着させます。研究者たちは、このパッチが少なくとも48時間皮膚に密着し、残留物を残さずに剥がすことができ、耐水性があることを発見しました。

MITのチームは、過去数年間に同様の小型超音波装置を開発してきた少数の研究室の一つです。カリフォルニア大学サンディエゴ校とトロント大学の研究室も関連プロジェクトに取り組んでおり、ワン氏はUCSDで初期のパッチモデルを開発しました。しかし、これらの装置は画像化能力が限られていたり、切手サイズよりも大きかったりすることが多かったのです。

伸縮性のある接触媒質層の上に硬質プローブを配置したこの新設計は、プローブ自体を柔軟にすることが多かった他のパッチとは一線を画すと趙氏は語る。柔軟なプローブは問題を引き起こすと彼は言う。「超音波プローブはカメラの撮像センサーに似ています。その撮像センサーを歪ませたらどうなるか想像してみてください。撮影した画像が歪み、解像度が失われます。」プローブ自体は硬質のまま、接触媒質層を曲げたり伸ばしたりすることで、科学者たちはより高い解像度と優れた画像品質を実現した。また、この新設計では、撮像深度（皮膚下20センチメートルまで）と解像度をカスタマイズできる。

装着感を測るため、研究者たちは15人の被験者に48時間パッチを貼った。軽いかゆみを感じたのは1人だけだった。研究者たちは直接のフィードバックを得るため、自分自身にもパッチを貼った。「貼っていることを忘れてしまうほどでした」と、論文の共著者であるシャオユ・チェン氏は語る。「とても快適です」。ワン氏も同意見で、従来の超音波ジェルは「皮膚に刺激を与え、冷たくてかゆみを感じます」が、はるかに快適だと付け加えた。

現在の設計には大きな欠点が一つあります。それは、ワイヤレスではないということです。つまり、2日間にわたって各パッチの画像化機能をテストするためには、被験者はケーブルを介して従来の実験室用超音波画像化システムに接続したままでいることに同意しなければなりませんでした。ケーブルは十分な長さがあったため、被験者は「動き回ったり、歩き回ったりすることができました。例えば、トレッドミルで歩いたり、サイクリングマシンで自転車に乗ったりすることもできました」とZhao氏は言います。

被験者の体の様々な部位にパッチを貼ることで、研究者たちは胃、筋肉、血管、肺、そして心臓の画像を取得できました。被験者が運動した後、科学者たちは心臓の左心室が拡張し、頸動脈の血流速度が増加することを示しました。別の画像では、被験者がジュースを飲むと胃が膨張し、ジュースが消化されるにつれて収縮する様子も確認されました。「膀胱の画像も取得しましたが、そのデータは今回の論文には掲載していません」とワン氏は冗談めかして言います。

ペンシルベニア大学の放射線医学研究者であるチャンドラ・セガル氏は、このようなパッチの小型さと使いやすさは、画像に観察される変化が患者の行動の変化によるものであり、操作ミスによるものではないと臨床医が確信するのに役立つ可能性があると指摘する。「超音波は変動性が高く、使用者に依存することで知られています」と彼は言う。例えば、プローブを誤って少し横に動かすと、静脈が実際よりも大きく見えることがある。このパッチを使用すれば、この見かけ上の静脈拡張が単なるミスなのか、それとも患者が横になっているなど、実際に何かが原因なのかを判断しやすくなる。「より信頼性の高い方法でこの測定を行うことができます」と彼は付け加える。

この研究は「非常にエキサイティングです」と、アルバータ大学で超音波画像診断と技術開発に特化した研究室を率いるローレンス・リー氏は語る。しかし、パッチを外部の画像診断システムに接続するには、まだケーブルやワイヤーが必要だと彼は指摘する。「将来的には、このデータをワイヤレスで送信できるようになるかもしれません」とリー氏は、画像診断システムの小型化と統合化における近年の進歩を踏まえ、「実現に近づいています」と語る。

趙氏とチームは、このパッチを医療現場でどのように活用できるかを既に構想している。趙氏によると、例えば自宅で新型コロナウイルス感染症患者の肺機能をモニタリングし、経時的な変化を観察することが考えられる。また、心血管疾患のある患者の血圧と心機能を測定することも可能だ。さらに、心臓からの電気信号は記録するが画像は記録しない心電図などの補助として、体内で何が起こっているかをより包括的に把握するためにも活用できると趙氏は述べている。

科学者たちはパッチの効果を実証しましたが、患者が常に機器に接続する必要がないよう、ワイヤレスであればより良いだろうというLe氏の意見に同意しています。彼らはまた、画像解像度のさらなる向上にも取り組んでおり、「POC超音波の解像度に匹敵、あるいはそれを超える」ことを目標にしているとZhao氏は述べています。ユーザーが長期間装着できるパッチは、長期にわたる連続画像撮影の可能性を開くとZhao氏は付け加えます。「様々な臓器の膨大なデータを取得する機会が得られます。」そして、臨床医が画像から病状を診断できるように、そのデータを処理するアルゴリズムを構築することが重要になるとZhao氏は言います。

一方で、チームは切手サイズのパッチで実際に人の臓器を可視化できることに興奮している。「自分の体の内部をその場で見ることができるのは素晴らしい」とチェン氏は語る。