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 de la familia Aiso Yufeng Li en el Departamento de Química y Nanoingeniería y académico de la Facultad Jacobs de UC San Diego, publicó su trabajo el 31 de octubre. 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 Health.
En el experimento, el dispositivo se usó encima de la caja torácica para controlar el movimiento y el grosor del diafragma, lo que resulta útil para evaluar la salud respiratoria. “Al rastrear la actividad del diafragma, la tecnología podría ayudar potencialmente a los pacientes con afecciones respiratorias y a aquellos que dependen de la ventilación mecánica”, afirmó Joseph Wang, profesor distinguido del Departamento de Ingeniería Química y Nanoingeniería de la familia Iso Yufeng Li, coautor del estudio. papel. Estudiar
Además, los investigadores utilizaron con éxito el dispositivo en el brazo 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 virtual.
Esta tecnología de ultrasonido portátil puede ofrecer una nueva alternativa prometedora al estándar clínico actual, la electromiografía (EMG), que implica la aplicación de electrodos metálicos a la piel para registrar la actividad eléctrica de los músculos. A pesar del uso prolongado de EMG, adolece de baja resolución y mala señal. Por ejemplo, las señales de múltiples fibras musculares a menudo se mezclan, lo que dificulta aislar la contribución de fibras musculares específicas.
Sin embargo, el ultrasonido penetra en el tejido profundo y proporciona imágenes de alta resolución, lo que proporciona una visión detallada de la función muscular. La tecnología de ultrasonido desarrollada por el equipo y los colaboradores de Xu tiene la ventaja adicional de ser compacta, inalámbrica y de bajo consumo. “Esta tecnología podría ser usada por personas en su rutina diaria para un monitoreo continuo y a largo plazo”, dijo el coautor principal del estudio, Jiangjun Chen, candidato a doctorado en el programa de Ingeniería y Ciencia de Materiales de UC San Diego.
El dispositivo está alojado en una carcasa flexible de elastómero de silicona y consta de tres componentes principales: un único transductor para transmitir y recibir ondas ultrasónicas; Un circuito inalámbrico diseñado a medida que controla el transductor, registra datos y transmite datos 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 la detección eficiente de tejidos profundos utilizando un único transductor de ultrasonido. 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 importante para aislar movimientos musculares específicos. Para extraer información adicional de estas señales, los investigadores desarrollaron un algoritmo de inteligencia artificial que asigna las señales a su distribución muscular correspondiente, 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 una 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 pueden detectar diferentes patrones de respiración, como respiraciones superficiales y profundas. Esta función puede ayudar a diagnosticar afecciones asociadas con trastornos respiratorios como asma, neumonía y enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). En una prueba 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 coprimer autor del estudio, Muang Lin, investigador postdoctoral en el Departamento de la Familia Iso Yufeng Li en el Departamento de Química y Nanoingeniería de la UC San Diego.
Cuando se usa en el brazo, el dispositivo ofrece un seguimiento preciso del movimiento de los músculos de la mano y la muñeca. Gracias al algoritmo de inteligencia artificial que desarrolló el equipo, el sistema es capaz de reconocer diferentes gestos de las manos únicamente a partir de señales de ultrasonido. El sistema es capaz de reconocer 13 grados de libertad que cubren 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 el experimento de prueba de concepto, los participantes utilizaron el dispositivo en su brazo para controlar un brazo robótico para pipetear agua en un vaso de precipitados. En otra demostración, utilizaron el dispositivo para jugar un juego virtual, utilizando movimientos de muñeca para controlar el vuelo de un pájaro virtual a través de obstáculos. “Estas demostraciones subrayan el potencial de la tecnología para prótesis, juegos y otras aplicaciones de interfaz hombre-máquina”, dijo el primer coautor del estudio, Wentong Yu, Ph.D. candidato en el Departamento de Química y Nanoingeniería de la Familia ISO Yufeng Li en UC San Diego.
En el futuro, los investigadores planean mejorar la precisión, portabilidad, eficiencia energética y potencia computacional de la tecnología.