La technologie d'échographie portable pour la surveillance musculaire à long terme élargit les applications des interfaces homme-machine
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Illustration des trois principaux composants internes de l'appareil : un transducteur unique (petit carré bleu à l'avant), un circuit imprimé personnalisé (au milieu) et une batterie (à l'arrière). Crédit : Université de Californie - San Diego
Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont mis au point un appareil à ultrasons portable capable de surveiller l'activité musculaire sans fil et à long terme, avec des applications potentielles dans les soins de santé et les interfaces homme-machine. Conçu pour adhérer à la peau grâce à une couche adhésive et alimenté par une batterie, l'appareil permet un suivi haute résolution de la fonction musculaire sans procédures invasives.
Une équipe de chercheurs dirigée par Sheng Xu, professeur et Jacobs Faculty Scholar au département d'ingénierie chimique et nano de la famille Aiiso Yufeng Li à l'UC San Diego, a publié ses travaux le 31 octobre dans Nature Electronics . Ce travail est le fruit d'une collaboration avec Jinghong Li, pneumologue, spécialiste des soins intensifs et professeur de médecine à l'UC San Diego Health.
Lors des tests, l'appareil a été porté sur la cage thoracique pour surveiller le mouvement et l'épaisseur du diaphragme, qui sont utiles pour évaluer la santé respiratoire. « En suivant l'activité du diaphragme, la technologie pourrait potentiellement aider les patients souffrant de problèmes respiratoires et ceux qui dépendent d'une ventilation mécanique », a déclaré Joseph Wang, professeur distingué au département d'ingénierie chimique et nano de la famille Aiiso Yufeng Li, qui est co-auteur de l'étude.
De plus, les chercheurs ont utilisé avec succès l’appareil sur l’avant-bras pour capturer l’activité musculaire de la main et du poignet , ce qui a permis son utilisation comme interface homme-machine pour contrôler un bras robotique et jouer à un jeu virtuel.
Cette technologie d'échographie portable pourrait offrir une nouvelle alternative prometteuse à la norme clinique actuelle, l'électromyographie (EMG), qui consiste à appliquer des électrodes métalliques sur la peau pour enregistrer l'activité électrique des muscles. Malgré son utilisation de longue date, l'EMG souffre d'une faible résolution et de signaux faibles. Par exemple, les signaux provenant de plusieurs fibres musculaires se mélangent souvent, ce qui rend difficile l'isolement des contributions de fibres musculaires spécifiques.
L'échographie, en revanche, permet d'obtenir des images à haute résolution en pénétrant les tissus profonds, offrant ainsi des informations détaillées sur la fonction musculaire. La technologie à ultrasons développée par l'équipe de Xu et ses collaborateurs présente l'avantage supplémentaire d'être compacte, sans fil et à faible consommation d'énergie.
Crédit : Université de Californie - San Diego
« Cette technologie pourrait potentiellement être portée par des individus au cours de leurs activités quotidiennes pour une surveillance continue et à long terme », a déclaré Xiangjun Chen, co-premier auteur de l'étude et candidat au doctorat dans le programme de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC San Diego.
L'appareil est logé dans un boîtier en élastomère de silicone flexible et se compose de trois éléments principaux : un seul transducteur pour envoyer et recevoir des ondes ultrasonores ; un circuit sans fil conçu sur mesure qui contrôle le transducteur, enregistre les données et transmet sans fil les données à un ordinateur ; et une batterie lithium-polymère qui peut alimenter le système pendant au moins trois heures.
L'une des innovations majeures de ce travail est l'utilisation d'un seul transducteur à ultrasons pour détecter efficacement les tissus profonds. Le transducteur émet des ondes ultrasonores à intensité contrôlée et capte des signaux radiofréquences porteurs d'informations riches, permettant des applications cliniques telles que la mesure de l'épaisseur du diaphragme. Grâce à ces signaux, l'appareil peut atteindre une haute résolution spatiale, ce qui est essentiel pour isoler des mouvements musculaires spécifiques.
Pour extraire des informations supplémentaires de ces signaux, les chercheurs ont développé un algorithme d’intelligence artificielle qui associe les signaux à leurs distributions musculaires correspondantes, lui permettant d’identifier des gestes de la main spécifiques à partir des signaux collectés avec une grande précision et fiabilité.
Porté sur la cage thoracique, l'appareil peut mesurer avec précision l'épaisseur du diaphragme avec une précision submillimétrique. L'épaisseur du diaphragme est une mesure utilisée en clinique pour évaluer le dysfonctionnement du diaphragme et prédire les résultats chez les patients ventilés. En analysant le mouvement musculaire, les chercheurs ont également pu détecter différents schémas respiratoires, tels que les respirations superficielles et profondes.
Cette fonctionnalité pourrait aider à diagnostiquer des pathologies liées à des troubles respiratoires, comme l’asthme, la pneumonie et la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Dans le cadre d’un essai en petit groupe, l’appareil a réussi à distinguer les schémas respiratoires des personnes atteintes de BPCO de ceux des participants en bonne santé.
Un appareil à ultrasons portable permet une surveillance continue et à long terme de l'activité musculaire. Crédit : Muyang Lin
« Cela démontre le potentiel de la technologie pour les applications cliniques dans les soins respiratoires », a déclaré Muyang Lin, co-premier auteur de l'étude, chercheur postdoctoral au département d'ingénierie chimique et nano de la famille Aiiso Yufeng Li à l'UC San Diego.
Porté sur l'avant-bras, l'appareil permet de suivre avec précision les mouvements musculaires des mains et des poignets. Grâce à l' algorithme d'intelligence artificielle développé par l'équipe, le système est capable de reconnaître différents gestes de la main uniquement à partir des signaux ultrasonores. Le système est capable de reconnaître 13 degrés de liberté, couvrant 10 articulations des doigts et trois angles de rotation du poignet. Il peut ainsi capturer même les mouvements les plus légers du poignet et des doigts avec une grande sensibilité.
Lors des tests de validation de principe, les participants ont utilisé l'appareil sur leurs avant-bras pour contrôler un bras robotisé chargé de pipeter de l'eau dans des béchers. Dans une autre démonstration, ils ont utilisé l' appareil pour jouer à un jeu virtuel, en utilisant les mouvements du poignet pour contrôler le vol d'un oiseau virtuel à travers des obstacles.
« Ces démonstrations soulignent le potentiel de la technologie pour les prothèses, les jeux et d'autres applications d'interface homme-machine », a déclaré le co-premier auteur de l'étude, Wentong Yue, candidat au doctorat au département d'ingénierie chimique et nano de la famille Aiiso Yufeng Li à l'UC San Diego.
À l’avenir, les chercheurs prévoient d’améliorer la précision, la portabilité, l’efficacité énergétique et les capacités de calcul de la technologie.
https://techxplore.com/news/2024-10-wearable-ultrasound-tech-term-muscle.html