Gli ultrasuoni laser senza contatto offrono funzionalità paragonabili a quelle della risonanza magnetica e della TC ma a costi notevolmente inferiori, in una piattaforma automatizzata e portatile.
I ricercatori del Lincoln Laboratory (da sinistra a destra) Rajan Gurjar, Jake Jacobsen (inginocchiato), Bert Green, Robert Haupt, Jamie Shaw, Brian Boitnott e Matthew Stowe hanno co-sviluppato l’ultrasuono laser senza contatto. Non nella foto: Charles Wynn. Credito immagine: Glen Cooper / MIT
I ricercatori del MIT Lincoln Laboratory e i loro collaboratori del Center for Ultrasound Research and Translation (CURT) del Massachusetts General Hospital (MGH) hanno sviluppato un nuovo dispositivo di imaging medico: il Noncontact Laser Ultrasound (NCLUS).
Questo basato sul laser Il sistema a ultrasuoni fornisce immagini delle caratteristiche interne del corpo come organi, grasso, muscoli, tendini e vasi sanguigni. Il sistema misura anche la resistenza ossea e potrebbe potenzialmente monitorare gli stadi della malattia nel tempo.
“Il nostro concetto brevettato di sistema laser sicuro per la pelle mira a trasformare gli ultrasuoni medici superando i limiti associati alle tradizionali sonde a contatto”, spiega il ricercatore principale Robert Haupt, membro senior dello staff del Lincoln Laboratory. Gruppo Sistemi Ottici Attivi.
Haupt e il membro senior dello staff Charles Wynn sono co-inventori della tecnologia, con l’assistente leader del gruppo Matthew Stowe che fornisce la leadership tecnica e la supervisione del programma NCLUS. Rajan Gurjar è il capo dell’integratore di sistema, con Jamie Shaw, Bert Green, Brian Boitnott (ora alla Stanford University) e Jake Jacobsen che collaborano all’ingegneria ottica e meccanica e alla costruzione del sistema.
L’armatura portatile a ultrasuoni laser senza contatto con posizionamento sul piano a più gradi di libertà mette in scena una testa ottica che ospita una sorgente laser e un ricevitore miniaturizzati, fibre ottiche flessibili, specchi e una fotocamera. Credito immagine: Glen Cooper / MIT
Ecografia medica nella pratica
Se il medico ordina un’ecografia, puoi aspettarti che un ecografista altamente qualificato prema e manipoli una serie di trasduttori, inseriti in un dispositivo portatile, sul tuo corpo.
Mentre l’ecografista spinge la sonda del trasduttore sulla pelle, le onde acustiche ad alta frequenza (onde ultrasoniche) penetrano e si propagano attraverso il tessuto corporeo, dove “echeggiano” in diverse strutture e caratteristiche dei tessuti.
Questi echi si manifestano dall’impedenza acustica o dal cambiamento nella forza dei tessuti (morbidezza o rigidità dei tessuti), dal grasso, dai muscoli, dagli organi, dai vasi sanguigni e dalle ossa nelle profondità del corpo. La sonda riceve gli echi di ritorno, che vengono assemblati in immagini rappresentative delle caratteristiche interne del corpo.
Schemi di elaborazione specializzati (elaborazione dell’apertura sintetica) vengono utilizzati per costruire le forme delle caratteristiche del tessuto in 2D o 3D e queste costruzioni vengono quindi visualizzate sul monitor di un computer in tempo reale.
Utilizzando gli ultrasuoni, i medici possono “vedere” in modo non invasivo all’interno del corpo per visualizzare diversi tessuti e le loro geometrie. Gli ultrasuoni possono anche misurare il flusso sanguigno pulsante attraverso le arterie e le vene e possono caratterizzare le proprietà meccaniche (elastografia) di tessuti e organi.
Gli ultrasuoni vengono utilizzati abitualmente per assistere i medici nella valutazione e nella diagnosi di una varietà di condizioni di salute, malattie e lesioni. Ad esempio, gli ultrasuoni possono essere utilizzati per visualizzare l’anatomia di un feto in via di sviluppo, rilevare tumori e misurare il grado di restringimento o perdita delle valvole cardiache.
Dai dispositivi portatili su iPhone ai sistemi basati su carrello, gli ultrasuoni sono altamente portatili, relativamente economici e ampiamente utilizzati nei punti di cura e in ambienti remoti.
Limitazioni degli ultrasuoni
Sebbene i sistemi a ultrasuoni medici all’avanguardia possano risolvere le caratteristiche dei tessuti in frazioni di millimetro, la tecnica presenta alcune limitazioni. La manipolazione a mano libera della sonda da parte degli ecografisti per ottenere la migliore finestra di visualizzazione all’interno del corpo porta a errori di imaging.
Più specificamente, quando gli ecografisti applicano pressione sulla sonda al tatto, comprimono in modo casuale il tessuto locale dove la sonda entra in contatto, causando cambiamenti imprevedibili nelle proprietà del tessuto che influiscono sui percorsi delle onde ultrasoniche.
Questa compressione distorce le immagini delle caratteristiche dei tessuti con una certa imprevedibilità, il che significa che le forme delle caratteristiche non vengono tracciate accuratamente. Inoltre, inclinando la sonda, anche leggermente, si modifica il piano angolare della visualizzazione dell’immagine, distorcendo l’immagine e creando incertezza sulla posizione delle caratteristiche del corpo.
La distorsione dell’immagine e l’incertezza del riferimento posizionale sono sufficientemente significative da impedire agli ultrasuoni di risolvere con sufficiente sicurezza, ad esempio, se un tumore sta diventando più grande o più piccolo e con precisione dove si trova il tumore nel tessuto ospite.
Inoltre, l’incertezza relativa alle dimensioni, alla forma e alla posizione delle caratteristiche varierà in seguito alla ripetizione della misurazione, anche per lo stesso ecografista che tenta di tornare sui propri passi.
Questa incertezza, chiamata variabilità dell’operatore, è più grave quando diversi ecografisti tentano la stessa misurazione, portando a una variabilità tra operatori. A causa di questi inconvenienti, gli ultrasuoni spesso non riescono a tracciare tumori cancerosi e altri stati patologici.
Invece, metodi come la risonanza magnetica (MRI) e la tomografia computerizzata (CT) hanno il compito di monitorare il modo in cui le malattie progrediscono, anche con i loro costi notevolmente più elevati, maggiori dimensioni e complessità del sistema e il rischio di radiazioni imposto.
“La variabilità è stata per decenni una delle principali limitazioni degli ultrasuoni medici”, afferma Anthony Samir, presidente associato di Imaging Sciences presso MGH Radiology e direttore di CURT. Samir e i suoi colleghi dell’MGH CURT Kai Thomenius e Marko Jakolvejic forniscono esperienza medica critica, competenza tecnica e guida sui dispositivi a ultrasuoni convenzionali al team del laboratorio e collaborano con loro allo sviluppo del sistema NCLUS.
Automatizzando completamente il processo di acquisizione delle immagini ecografiche, NCLUS ha il potenziale per ridurre la necessità di un ecografista e mitigare la variabilità dell’operatore.
Il posizionamento del laser può essere riprodotto accuratamente, eliminando così la variabilità tra misurazioni ripetute. Poiché la misurazione è senza contatto, non si verifica alcuna compattazione localizzata del tessuto o la relativa distorsione delle caratteristiche dell’immagine.
Inoltre, analogamente alla risonanza magnetica e alla TC, NCLUS fornisce una funzionalità di quadro di riferimento fisso utilizzando marcatori cutanei per riprodurre e confrontare scansioni ripetute nel tempo. Per supportare tali capacità di tracciamento, il team del laboratorio ha sviluppato un software che elabora le immagini ecografiche e rileva eventuali cambiamenti tra di esse.
Non richiedendo né pressione manuale né gel di accoppiamento (come richiesto dalle sonde a contatto), NCLUS è ideale anche per pazienti con aree corporee doloranti o sensibili, in stati fragili o a rischio di infezione.
“NCLUS potrebbe acquisire immagini di vittime di ustioni o traumi, pazienti con regioni dei tessuti profondi aperte direttamente durante l’intervento chirurgico, neonati prematuri che necessitano di cure mediche intensive, pazienti con lesioni al collo e alla colonna vertebrale e individui contagiosi da distanze di stallo”, afferma Haupt.
Onde ultrasoniche indotte dalla luce
NCLUS utilizza un laser pulsato che trasmette energia ottica attraverso l’aria alla superficie della pelle, dove la luce viene rapidamente assorbita una volta nella pelle.
L’impulso ottico provoca un riscaldamento localizzato istantaneo e deforma rapidamente la pelle attraverso un processo termoelastico che a sua volta genera onde ultrasoniche, agendo come una sorgente di ultrasuoni – un fenomeno chiamato fotoacustica.
L’impulso ottico produce una potenza ultrasonica sufficiente con frequenze paragonabili a quelle degli ultrasuoni medici praticati, senza provocare alcuna sensazione sulla pelle.
Il team ha brevettato la scelta delle lunghezze d’onda del portatore ottico, con il processo fotoacustico progettato per creare una sorgente di ultrasuoni coerente, indipendente dal colore della pelle o dalla ruvidità dei tessuti.
Gli echi degli ultrasuoni che ritornano dall’interno dei tessuti emergono sulla superficie della pelle come vibrazioni localizzate, che vengono misurate da un vibrometro laser Doppler specializzato e altamente sensibile.
“Con un’adeguata implementazione di trasmissione e ricezione del laser, qualsiasi superficie tissutale esposta può diventare sorgenti e rilevatori di ultrasuoni vitali”, spiega Haupt.
Progressi verso un sistema clinicamente operativo
Nel 2019, la squadra dimostrato che il sistema proof-of-concept (GEN-1) dell’NCLUS può acquisire immagini ecografiche da soggetti umani utilizzando laser sicuri per la pelle: una novità assoluta nella comunità medica.
Tuttavia, il tempo necessario per acquisire i dati dell’immagine dal soggetto paziente era lungo e poco pratico per la pratica clinica. Inoltre, la risoluzione dell’immagine del sistema GEN-1 era significativamente inferiore a quella degli ultrasuoni medici all’avanguardia.
Da allora si è verificato un significativo sviluppo tecnico per la transizione di NCLUS GEN-1 in un sistema operativo appropriato per i test clinici. Nel sistema clinico NCLUS, sia la sorgente laser che il ricevitore sono miniaturizzati e alloggiati all’interno di una testa ottica fissata ad un’armatura portatile.
I laser che pulsano e scansionano sono 500 volte più veloci di quelli del sistema GEN-1, riducendo così l’intero tempo di acquisizione dei dati dell’immagine a meno di un minuto. I futuri prototipi NCLUS comporteranno tempi di acquisizione più rapidi, inferiori a un secondo.
Il nuovo sistema clinico funziona anche a frequenze ultrasoniche molto più elevate rispetto a quelle del sistema GEN-1, consentendo una risoluzione fino a 200 micron, paragonabile alla risoluzione degli ultrasuoni medici all’avanguardia.
L’armatura mobile consente molti gradi di libertà per visualizzare le varie regioni del corpo. All’interno della testa ottica sono inoltre presenti specchi programmabili a orientamento rapido che posizionano automaticamente la sorgente e ricevono i raggi laser per stabilire con precisione la matrice di ultrasuoni.
Un lidar 2D viene utilizzato per mappare la topografia della superficie cutanea del paziente; una telecamera a infrarossi a onde corte ad alta frequenza di fotogrammi registra le posizioni proiettate sulla pelle della sorgente laser e del ricevitore, fornendo i parametri dell’array necessari per costruire immagini ecografiche.
La mappatura della topografia della superficie cutanea e le registrazioni della posizione del laser vengono registrate utilizzando caratteristiche naturali della pelle come le lentiggini. In questo modo viene stabilito un quadro di riferimento fisso per eseguire scansioni ripetute precise nel tempo.
Il sistema clinico NCLUS genera immagini ecografiche completamente automatizzate e registrate tramite l’elaborazione dell’apertura sintetica. Il team ha dimostrato questo sistema su un disco a base di gel sintetizzato per corrispondere alle proprietà meccaniche del tessuto umano (denominato fantasma) che controlla la propagazione delle onde ultrasoniche.
Attraverso programmi sponsorizzati, il team sta ora sviluppando NCLUS per supportare le applicazioni militari sul campo.
Queste applicazioni includono il rilevamento e la caratterizzazione di lesioni potenzialmente letali dovute a emorragie interne negli organi; monitorare le lesioni muscolo-scheletriche debilitanti e la loro guarigione nel tempo; e fornire immagini elastografiche dei tessuti molli e delle ossa delle regioni degli arti amputati per accelerare la progettazione e l’adattamento degli invasature protesiche.
Le applicazioni civili includono l’imaging nelle unità di terapia intensiva. Con NCLUS, i tecnici medici di emergenza, i paramedici e il personale medico senza formazione specializzata in ecografia potrebbero essere in grado di eseguire immagini ecografiche al di fuori di un ospedale: in uno studio medico, a casa o in un campo di battaglia remoto.
“Con un ulteriore sviluppo, NCLUS ha il potenziale per diventare una tecnologia trasformativa: una piattaforma ecografica portatile e automatizzata con una capacità di quadro di riferimento fisso simile a quella della risonanza magnetica e della TC”, afferma Samir.
Nella fase successiva del programma NCLUS, il team proseguirà studi clinici utilizzando un laser operativo sicuro per la pelle per valutare le immagini ecografiche e confrontarle con quelle degli ultrasuoni medici convenzionali.
Se questi studi avranno successo, il team cercherà finanziamenti commerciali per lo sviluppo di dispositivi medici clinici, seguiti dall’approvazione dell’agenzia statunitense Food and Drug Administration.
Scritto da Ariana Tantillo
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
