Laser

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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 sistema a ultrasuoni basato sul laser 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 dell'Active Optical Systems Group del Lincoln Laboratory. 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.

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.