Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un dispositivo de ultrasonido portátil que puede proporcionar un monitoreo inalámbrico a largo plazo de la actividad muscular con aplicaciones potenciales en la atención médica y en las interfaces hombre-máquina. Diseñado para adherirse a la piel con una capa de adhesivo y alimentado por una batería, el dispositivo permite un seguimiento de alta resolución de la función muscular sin procedimientos invasivos.
Un equipo de investigadores dirigido por Sheng Xu, profesor y becario de la Facultad Jacobs en el Departamento de Ingeniería Química y Nano de la Familia Aiiso Yufeng Li en UC San Diego, publicó su trabajo el 31 de octubre en Electrónica de la naturaleza. El trabajo fue un proyecto de colaboración con Jinghong Li, neumólogo, especialista en cuidados intensivos y profesor de medicina en UC San Diego Well being.
En las pruebas, el dispositivo se usó sobre la caja torácica para monitorear el movimiento y el grosor del diafragma, lo que es útil para evaluar la salud respiratoria. “Al rastrear la actividad del diafragma, la tecnología podría potencialmente ayudar a los pacientes con afecciones respiratorias y a aquellos que dependen de la ventilación mecánica”, dijo Joseph Wang, profesor distinguido del Departamento de Ingeniería Química y Nanoingeniería de la familia Aiiso Yufeng Li y coautor del estudio. estudiar.
Además, los investigadores utilizaron con éxito el dispositivo en el antebrazo para capturar la actividad de los músculos de la mano y la muñeca, lo que permitió su uso como interfaz hombre-máquina para controlar un brazo robótico y jugar un juego digital.
Esta tecnología de ultrasonido portátil puede ofrecer una nueva alternativa prometedora al estándar clínico precise, la electromiografía (EMG), que implica la aplicación de electrodos metálicos sobre la piel para registrar la actividad eléctrica de los músculos. A pesar del uso prolongado de EMG, adolece de baja resolución y señales débiles. Por ejemplo, las señales de múltiples fibras musculares a menudo se mezclan, lo que dificulta aislar las contribuciones de fibras musculares específicas.
Sin embargo, el ultrasonido proporciona imágenes de alta resolución al penetrar en los tejidos profundos, lo que ofrece información detallada sobre la función muscular. La tecnología de ultrasonido que desarrolló el equipo de Xu y sus colaboradores tiene las ventajas adicionales de ser compacta, inalámbrica y de bajo consumo. “Esta tecnología podría ser usada por personas durante sus rutinas diarias para un monitoreo continuo y a largo plazo”, dijo el coautor principal del estudio, Xiangjun Chen, candidato a doctorado en el programa de Ingeniería y Ciencia de Materiales de UC San Diego.
El dispositivo está alojado en una carcasa versatile de elastómero de silicona y consta de tres componentes principales: un único transductor para enviar y recibir ondas de ultrasonido; un circuito inalámbrico diseñado a medida que controla el transductor, registra datos y los transmite de forma inalámbrica a una computadora; y una batería de polímero de litio que puede alimentar el sistema durante al menos tres horas.
Una innovación clave de este trabajo es el uso de un único transductor de ultrasonido para detectar tejidos profundos de manera efectiva. El transductor emite ondas de ultrasonido de intensidad controlada y captura señales de radiofrecuencia que transportan información valiosa, lo que permite aplicaciones clínicas como la medición del grosor del diafragma. Utilizando estas señales, el dispositivo puede alcanzar una alta resolución espacial, lo cual es clave para aislar movimientos musculares específicos. Para extraer información adicional de estas señales, los investigadores desarrollaron un algoritmo de inteligencia synthetic que asigna las señales a sus distribuciones musculares correspondientes, lo que le permite identificar gestos manuales específicos a partir de las señales recopiladas con alta precisión y confiabilidad.
Cuando se usa en la caja torácica, el dispositivo puede monitorear con precisión el espesor del diafragma con precisión submilimétrica. El espesor del diafragma es una métrica utilizada en la clínica para evaluar la disfunción del diafragma y predecir los resultados en pacientes ventilados. Al analizar el movimiento de los músculos, los investigadores también pudieron detectar diferentes patrones de respiración, como respiraciones superficiales y profundas. Esta funcionalidad podría ayudar a diagnosticar afecciones relacionadas con irregularidades respiratorias, como asma, neumonía y enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). En un ensayo en grupos pequeños, el dispositivo distinguió con éxito los patrones respiratorios de personas con EPOC de los de participantes sanos.
“Esto demuestra el potencial de la tecnología para aplicaciones clínicas en el cuidado respiratorio”, dijo el primer coautor del estudio, Muyang Lin, investigador postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Química y Nanoingeniería de la Familia Aiiso Yufeng Li en UC San Diego.
Cuando se usa en el antebrazo, el dispositivo ofrece un seguimiento preciso del movimiento de los músculos de las manos y las muñecas. Gracias al algoritmo de inteligencia synthetic que desarrolló el equipo, el sistema es capaz de reconocer varios gestos de las manos únicamente a partir de las señales de ultrasonido. El sistema es capaz de reconocer 13 grados de libertad, cubriendo 10 articulaciones de los dedos y tres ángulos de rotación de la muñeca. Como resultado, puede capturar incluso movimientos leves de la muñeca y los dedos con alta sensibilidad.
En las pruebas de prueba de concepto, los participantes utilizaron el dispositivo en sus antebrazos para controlar un brazo robótico para pipetear agua en vasos de precipitados. En otra demostración, utilizaron el dispositivo para jugar un juego digital, utilizando movimientos de muñeca para controlar el vuelo de un pájaro digital a través de obstáculos. “Estas demostraciones subrayan el potencial de la tecnología para prótesis, juegos y otras aplicaciones de interfaz hombre-máquina”, dijo el coautor del estudio, Wentong Yue, Ph.D. candidato en el Departamento de Ingeniería Química y Nano de la Familia Aiiso Yufeng Li en UC San Diego.
En el futuro, los investigadores planean mejorar la precisión, portabilidad, eficiencia energética y capacidades computacionales de la tecnología.
