В больницах, в реабилитационных центрах и даже в телемедицине вовсю используют носимые ультразвуковые устройства. Проблема только в том, что почти все они работают на пьезокерамике на основе свинца. Свинец, как известно, штука вредная — и для самого человека, и для окружающей среды. Получается противоречие: чтобы техника работала хорошо, приходится использовать опасные материалы. Поэтому ученые давно ищут способ полностью отказаться от свинца, но при этом сохранить высокое качество диагностики.

Пьезокерамика на основе свинца — это вид материалов, которые обладают уникальным свойством: они превращают механическое давление в электрический сигнал и наоборот. Проще говоря, если по такому материалу стукнуть, он выдаст ток, а если подать на него ток, он начнет вибрировать. Именно на этом основана работа ультразвуковых датчиков: пластина из такой керамики под напряжением быстро колеблется и создает звуковые волны высокой частоты, которые проходят сквозь ткани, а затем, принимая отраженный сигнал, снова превращает его в электричество для построения картинки. Свинец в составе этих материалов обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии, но он токсичен. Его соединения легко попадают в организм при производстве или утилизации приборов и накапливаются в костях и внутренних органах, вызывая серьезные заболевания.

И вот группа исследователей под руководством доктора Ли Бён Чхоля из Центра бионики Корейского института науки и технологий (KIST) сделала важный шаг. Вместе с коллегами из KAIST, Сеульской национальной больницы и Стэнфордского университета они разработали экологичный ультразвуковой патч, который можно использовать одноразово. В основе этого прибора — кремний, и он впервые показал результаты даже лучше, чем дорогие свинцовые аналоги.

Подробности опубликованы в издании Nature Communications.

Секрет — в особой технологии производства, которую подсмотрели у производителей микросхем. Исследователи взяли кремний и превратили его в структуру из крошечных наностолбиков. Получилась гибкая пластинка толщиной в несколько сотен микрометров. Обычно в таких датчиках обязательно используют специальные слои для согласования сигнала и гашения помех — их называют согласующим и демпфирующим. От них, как считалось раньше, никуда не деться. Но авторам разработки удалось от них отказаться, сделав конструкцию одновременно и более простой, и более гибкой. За счет этого они не только убрали свинец, но и повысили качество изображения.

Когда дело дошло до испытаний, новый патч показал себя отлично. По сравнению с обычными коммерческими датчиками он создает давление на 30% выше, а картинка получается гораздо четче. Прибор без проблем измерил скорость кровотока и диаметр сосудов на шее — а это место очень подвижное, и получить там точные данные сложно. Еще одна проверка показала: по точности измерения давления патч не уступает обычным клиническим приборам, попадая в их показания с точностью больше 96%. В общем, все говорит о том, что для медицины это настоящая находка.

Еще один важный момент — производство. Поскольку технология основана на стандартных полупроводниковых процессах, такие патчи можно штамповать в больших количествах и с низкой себестоимостью. По оценкам ученых, один такой датчик будет стоить примерно в 20 раз дешевле традиционных свинцовых. Это значит, что он подходит для одноразового применения: использовал, снял и выбросил без вреда для природы. Команда разработчиков считает, что такие устройства могут стать новым стандартом для телемедицины и персональных гаджетов для слежения за здоровьем. В планах — проверить технологию в разных клинических условиях, а потом использовать ее не только для диагностики сердца и сосудов, но и в реабилитации, и даже в сфере ментального здоровья.

Руководитель исследования доктор Ли Бён Чхоль из KIST отмечает: нам удалось заменить опасный свинец на безопасный кремний, и теперь таким ультразвуком сможет пользоваться кто угодно без риска для здоровья. Профессор Ли Валь из Сеульской национальной больницы добавляет: у новых датчиков есть еще одно важное преимущество. Они гибкие и могут принимать любую форму, а это открывает огромные возможности для применения ультразвука в медицине.

Для науки это, по сути, смена технологической парадигмы. Исследователи показали, что от жестких конструкций с кучей обязательных слоев можно отказаться, если применить микроэлектронные подходы. Это не просто очередной гибкий датчик, а доказательство того, что кремниевые наноструктуры могут работать эффективнее, чем традиционная пьезокерамика. Открывается дорога к новому классу медицинских приборов, где ключевым станет не химический состав материала, а его геометрия, заданная на наноуровне.

В реальной жизни польза ощутима сразу по нескольким направлениям. Во-первых, безопасность. Свинец в датчиках — это всегда риск, особенно при длительном ношении или при производстве. Во-вторых, доступность. Снижение цены в 20 раз превращает сложную диагностику из процедуры в поликлинике в нечто доступное для массового потребителя. Представьте, что такие патчи станут расходным материалом в «умных» часах или в аптечках для пациентов с гипертонией. В-третьих, гибкость и тонкость позволяют клеить датчик куда угодно, даже на шею или на сустав, и получать данные в движении, а не только когда пациент лежит смирно. Это сильно упростит реабилитацию после травм и наблюдение за хроническими болезнями на дому.

При всех впечатляющих результатах стоит обратить внимание на один момент: исследование, скорее всего, проводилось в условиях ограниченного времени и на ограниченной выборке. В тексте говорится об успешном измерении кровотока в области шеи и сравнении с клиническими тонометрами, но нет деталей о том, как долго работал патч. Любой гибкий датчик на основе кремния сталкивается с проблемой долговечности при постоянных изгибах. Если говорить о массовом производстве и тем более об одноразовом использовании, то это не так критично, но для сферы реабилитации, где прибор может понадобиться на несколько недель, надежность механического соединения наноструктур с подложкой остается большим вопросом. Кроме того, точность 96% по сравнению с клиническими приборами — это отличный показатель, но для внедрения в кардиологии, где цена ошибки высока, производителям предстоит доказать, что эта погрешность стабильна и не растет со временем или при движении пациента. Без данных о долгосрочной стабильности говорить о полноценной замене классических технологий пока рано.

Ранее ученые доказали связь между свинцом и плохой памятью у детей.