Как ученым удалось превратить iPhone в полноценный УЗИ-аппарат

Изобретатель и бизнесмен Джонатан Ротберг разбогател и прославился на весь мир после того, как его компания выпустила первый в мире миниатюрный чип для ультразвуковой диагностики, благодаря которому разработчик получил возможность сделать из любого iPhone полноценный УЗИ-аппарат. Как утверждает предприниматель, цена устройства не превысит стоимость обычного стетоскопа. Устройство получило возможность синхронизироваться с обычным смартфоном и любой пользователь сможет использовать его в домашних условиях, чтобы, например, диагностировать рак молочной железы или узнать пол будущего ребенка.

От инвесторов Ротберг получил $100 млн на разработку устройства и потратил на него последние восемь лет жизни. Он сумел капитализировать свой стартап ради одной единственной цели — сделать экран вашего телефона окном в процессы, происходящие внутри организма. В июне этого года Ротберг презентовал всему миру iQ — дешевый ручной ультразвуковой сканер, который можно подключить прямо к разъему для зарядки iPhone. Вам даже не нужно разбираться в технике, чтобы начать пользоваться новинкой — его автоматические алгоритмы помогут в этом любому.

Управление по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США (FDA) провело 13 клинических испытаний прибора, включая диагностику органов малого таза, обследование опорно-двигательного аппарата и сердца. Изобретатель говорит о том, что новое устройство подрывает индустрию медицинских обследований, точно так же, как в свое время это сделало ионное полупроводниковое секвенирование — быстрый, компактный и экономичный секвенатор ДНК, который в свое время захватил немалую долю прибыли у корпорации Illumina (основана в апреле 1998 года, занимается разработкой, производством и внедрением систем анализа генетического разнообразия и биологических функций, — Прим. ред.)

Так как же человеку, который плавает на яхте с именем «Генная машина» стоимостью $40 млн у берегов Коннектикута, удалось уменьшить УЗИ аппарат до размера почтовой марки? А все, как ни странно, началось с исследования происхождения Вселенной.

Летом 2010 года Ротберг посетил лекцию физика Макса Тегмарка в Массачусетском технологическом институте, на которой ученый рассказывал о новом способе визуализации Вселенной. Чтобы его изобрести, Тегмарку пришлось соединить десятки тысяч телескопов (не буквально, а с помощью определенных алгоритмов), чтобы измерить уровень энергии, поступающей от самых отдаленных звезд Галактики. Использование огромного количества антенн и их синхронизация с таким же количеством компьютеров стало бы большой вычислительной проблемой для ученого, поэтому он решил заручиться помощью студентки последнего курса Невады Санчез.

Вместе они решили, что необходимо разделить всю работу по вычислениям особым способом и назвали свою систему Butterfly Network. Ротберг, сидящий на этой лекции, понял, что сможет использовать их алгоритмы, чтобы решить абсолютно иную задачу — объединить в сеть тысячи ультразвуковых датчиков на кремниевом чипе, чтобы визуализировать человеческий организм. Это было его идеей-фикс с тех пор, как он ходил со своей старшей дочерью по врачам из-за ее туберозного склероза, который вызывает опасные новообразования в почках.

Как только Тегмарк закончил лекцию, Ротберг подошел к нему, представился и спросил разрешения чтобы «украсть» самого лучшего студента-физика. Год спустя Невада Санчез станет соучредительницей компании Butterfly Network вместе с Ротбергом. Главной задачей стартапа станет модернизация самого популярного метода медицинского обследования, включающего визуализацию человеческих органов. Несмотря на то, что ультразвук на данный момент уже не считается высокотехнологичным методом сканирования органов — зернистые изображения конечно же не идут ни в какое сравнение с МРТ и КТ сканированием — технология УЗИ неожиданно оказалась очень сложна.

Она работает точно по такому же принципу, как летучие мыши используют свой ультразвук , чтобы ориентироваться в темноте. Эти млекопитающие посылают ультразвуковой сигнал и получают его в виде эхо, высчитывая дистанцию до объектов во мраке. На протяжении последних 40 лет практически все ультразвуковые аппараты использовали кристаллы из керамики, чтобы сделать то же самое — запустить в человеческий организм ультразвуковые волны. Когда поток электричества проходит через такой кристалл, он начинает быстро менять форму, тем самым создавая вибрации в виде волн, и уже когда эти волны возвращаются назад, кристалл сам излучает электрический ток. Но каждый из кристаллов должен быть соединен с другим так, чтобы иметь доступ через кабель к отдельному процессору для расчета. Более того, кристаллы должны быть настроены таким образом, чтобы испускать ультразвуковые волны правильного диапазона для визуализации на определенной глубине в организме. Например, для обследования сердца это может быть один датчик, для желудка или утробы — другой. Обычный аппарат УЗИ с разными типами датчиков, насадок и экраном может стоить порядка 100 тысяч долларов.

Ротберг и Санчез поставили перед собой задачу избавиться от подобных ограничений и решили действовать в два этапа. Первый — инженеры компании заменили кристаллы микроскопическими «барабанами», на профессиональном языке именуемые емкостными ультразвуковыми микропреобразователями, или ЕУМП.

Выглядит эта конструкция как металлическая тарелка, подвешенная между двумя электродами. Если провести между ними электрический ток, тарелка завибрирует, а частоту вибрации можно настроить, меняя силу электрического поля. Конструкцию разработали благодаря профессору Стэнфордского университета Пьеру Харри-Якубу, который придумал первый ЕУМП еще в 1994 году. Его исследования использовали в таких компаниях как General Electric, Philips и Samsung — они были заинтересованы в новых способах использования ультразвука. «Это очень мощное устройство основанное на работе электрического поля», — говорит Харри-Якуб. «Оно как "Мустанг": если Вы умеете управлять им, это принесет вам пользу, а если нет, то вам конец».

В итоге Butterfly Network разработала совершенно новый УЗИ аппарат с полным редизайном. Второе, что они сделали — установили ЕУМП прямо на слой полупроводника, включающий все приемники и устройства обработки сигналов, чтобы те могли превращать звук в картинку на экране, а это гигантское количество данных — чип обрабатывает 20 копий фильма «Чудо-женщина» на DVD каждую секунду. «Если старая версия аппарата УЗИ диагностики это трубочка для коктейля, то наша устройство это брандспойт», — говорит Ротберг. Компания планирует выпуск подобных устройств в промышленных масштабах, что значительно снизит себестоимость продукта. Ротберг заявил, что Butterfly Network планируют продавать аппарат по 2 тысячи долларов за штуку. Они также планируют снабдить устройство программным обеспечением, а перед этим провести его испытания на тысячах пациентов, чтобы выяснить отличия в качестве УЗИ снимков различных частей тела.

В июле главный медицинский специалист компании Butterfly Network Джон Мартин посетил городской госпиталь в Денвере, чтобы сделать ряд испытаний устройства в «полевых условиях». Он был сильно простужен и почувствовал, что защемило шею, но подумал, что это может быть из-за слишком активной работы лимфоузлов в связи с болезнью.

Так как ему все равно было необходимо протестировать новую разработку, Мартин решил проверить ее сначала на себе: нанес проводящий гель на шею и начал водить аппаратом по больному участку. На экране появилось уплотнение размером в три с половиной сантиметра. «Это не лимфоузел», — подумал он. И был прав — под языком у Мартина на протяжении нескольких месяцев росло раковое новообразование - клетки сосочков языка начали интенсивно делиться и образовали нарост. Джон Мартин направился к специалисту и благодаря операции, которая длилась пять часов, ему удалили опухоль.

Сейчас он проходит лучевую терапию и говорит о том, что никогда бы не решился пойти к онкологу, если бы тогда не опробовал устройство на себе. Так что теперь он надеется на то, что чип для УЗИ диагностики поможет и другим людям, которые могут не знать о болезни и годами не обследуются у врачей. «Когда-то термометры были доступны только в больницах. Точно так же, как и тонометры с дефибрилляторами, — говорит Мартин. — Чем скорее мы вложим новые технологии в руки обычных людей, тем быстрее они смогут узнать свой диагноз и принять необходимые меры. Ранняя диагностика действительно может спасти жизнь и я тому – ярчайший пример».

Источник