Sebbene l'ecografia sia uno degli strumenti di imaging medico più comuni, i dispositivi elettronici a ultrasuoni convenzionali tendono ad essere ingombranti e non possono essere utilizzati contemporaneamente ad altre tecnologie di imaging. Un nuovo sistema ad ultrasuoni che utilizza ottiche, al posto dei componenti elettronici, potrebbe migliorare le prestazioni offrendo ai medici una flessibilità significativamente maggiore nel modo in cui utilizzano gli ultrasuoni per diagnosticare e trattare i problemi medici.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica biomedica Express , i ricercatori dimostrano per la prima volta l'uso di un imager ad ultrasuoni completamente ottico per la frequenza video, imaging 2D in tempo reale di tessuti biologici. Il risultato è un passo importante per rendere l'ecografia completamente ottica pratica per l'uso clinico di routine.

Poiché non richiedono componenti elettronici nella sonda di imaging, i sistemi a ultrasuoni completamente ottici potrebbero essere utilizzati in sicurezza contemporaneamente agli scanner per la risonanza magnetica (MRI). Ciò darebbe ai medici un quadro più completo dei tessuti intorno a un'area di interesse, come un tumore o un vaso sanguigno.

"Le sonde di imaging ad ultrasuoni completamente ottiche hanno il potenziale per rivoluzionare gli interventi guidati dall'immagine, " ha detto Erwin J. Alles, University College London, Regno Unito. "La mancanza di elettronica e la conseguente compatibilità con la risonanza magnetica consentiranno una vera guida dell'immagine multimodale, con sonde che sono potenzialmente solo una frazione del costo delle controparti elettroniche convenzionali."

Gli specchi di scansione Lightbeam integrati nel dispositivo aumentano la qualità dell'immagine e consentono di acquisire immagini in diverse modalità. In ambito clinico, ciò consentirebbe ai medici di passare rapidamente da una modalità all'altra su un singolo strumento per adattarsi al compito da svolgere. L'acquisizione di diversi tipi di immagini utilizzando i sistemi a ultrasuoni convenzionali richiede in genere sonde specializzate separate.

"La flessibilità offerta dagli specchi di scansione consentirà il passaggio senza interruzioni tra l'imaging 2-D e 3-D, così come un compromesso regolabile dinamicamente tra risoluzione dell'immagine e profondità di penetrazione, senza la necessità di sostituire la sonda di imaging, " ha detto Alles. "Soprattutto in un ambiente interventistico minimamente invasivo, lo scambio delle sonde di imaging è altamente dirompente, allunga i tempi della procedura e introduce rischi per il paziente."

Eliminare l'elettronica

Gli imager a ultrasuoni convenzionali utilizzano array di trasduttori elettronici per trasmettere onde sonore ad alta frequenza nei tessuti e ricevere i riflessi. Un computer costruisce quindi le immagini del tessuto.

Al contrario, gli imager ad ultrasuoni completamente ottici utilizzano la luce sia per trasmettere che per ricevere le onde ultrasoniche. La luce laser pulsata viene utilizzata per generare onde ultrasoniche, e gli specchi di scansione controllano dove le onde vengono trasmesse nel tessuto. Un sensore a fibra ottica riceve le onde riflesse.

I componenti elettronici dei dispositivi ad ultrasuoni convenzionali li rendono difficili da miniaturizzare per uso interno, quindi la maggior parte dei dispositivi a ultrasuoni esistenti sono grandi, sonde portatili che vengono posizionate contro la pelle. Mentre sono state sviluppate alcune sonde ecografiche minimamente invasive ad alta risoluzione, sono troppo costosi per l'uso clinico di routine. I componenti ottici sono facilmente miniaturizzati e le minuscole sonde a ultrasuoni completamente ottiche sarebbero probabilmente molto meno costose da produrre rispetto ai sistemi a ultrasuoni elettronici compatti, dicono i ricercatori.

Velocizzare l'elaborazione delle immagini

Per generare immagini, un sistema ecografico completamente ottico deve acquisire dati da più posizioni di sorgenti ottiche, combinarli insieme e quindi creare una visualizzazione che ricostruisce l'area oggetto dell'immagine.

I ricercatori hanno precedentemente dimostrato l'utilizzo di ultrasuoni completamente ottici per generare immagini 2-D e 3-D di alta qualità, ma l'acquisizione delle immagini ha richiesto ore, rendendo questi dispositivi troppo lenti per essere utilizzati in ambito clinico. La nuova dimostrazione è la prima ad acquisire e visualizzare immagini con ultrasuoni completamente ottici a velocità video.

"Attraverso la combinazione di un nuovo paradigma di imaging, nuovi materiali per la generazione di ultrasuoni ottici, geometrie ottimizzate della sorgente di ultrasuoni e un rilevatore di ultrasuoni a fibra ottica altamente sensibile, abbiamo ottenuto frame rate delle immagini fino a tre ordini di grandezza più veloci rispetto allo stato dell'arte attuale, " disse Alles.

Un multitool medico

I sistemi ottici ad ultrasuoni sono intrinsecamente più versatili delle loro controparti elettroniche perché possono produrre suoni con una larghezza di banda molto più ampia. Alles e colleghi hanno dimostrato come la sorgente luminosa può essere manipolata per generare ultrasuoni a bassa frequenza, che si traduce in una maggiore penetrazione nel tessuto, o ultrasuoni ad alta frequenza, che offre immagini a risoluzione più elevata a una profondità minore.

Il team ha testato il loro sistema prototipo immaginando un pesce zebra deceduto, così come un'arteria di maiale che hanno manipolato per emulare la dinamica del sangue pulsante. La dimostrazione ha mostrato capacità di imaging paragonabili a un sistema elettronico a ultrasuoni ad alta frequenza, con un frame rate sostenuto di 15 Hertz, una gamma dinamica di 30 decibel, una profondità di penetrazione di 6 millimetri e una risoluzione di 75 per 100 micrometri.

Per adattare la tecnologia all'uso clinico, i ricercatori stanno lavorando per sviluppare un lungo, sonda di imaging flessibile per il funzionamento a mano libera, così come versioni miniaturizzate per applicazioni endoscopiche.