Assistente professore di ingegneria elettrica e informatica (ECE) della Carnegie Mellon University Maysam Chamanzar e dottorato di ricerca ECE. lo studente Matteo Giuseppe Scopelliti ha pubblicato oggi una ricerca che introduce una nuova tecnica che utilizza gli ultrasuoni per acquisire immagini ottiche in modo non invasivo attraverso un mezzo torbido come il tessuto biologico per visualizzare gli organi del corpo. Questo nuovo metodo ha il potenziale per eliminare la necessità di esami visivi invasivi utilizzando telecamere endoscopiche.

In altre parole:un giorno, potrebbe non essere più necessario inserire gli ambiti nel corpo, come in gola o sotto la pelle, per raggiungere lo stomaco, cervello, o qualsiasi altro organo per l'esame.

Imaging endoscopico, o utilizzando telecamere inserite direttamente all'interno degli organi del corpo per indagare sui sintomi, è una procedura invasiva utilizzata per esaminare e diagnosticare i sintomi della malattia dei tessuti profondi. Imager endoscopici, o telecamere all'estremità dei tubi o dei fili del catetere, sono solitamente impiantati attraverso una procedura medica o un intervento chirurgico al fine di raggiungere i tessuti profondi del corpo, ma la nuova tecnica di Chamanzar fornisce un'alternativa completamente non chirurgica e non invasiva.

L'articolo del laboratorio pubblicato su Luce:scienza e applicazioni , una rivista pubblicata da Springer Nature, mostra che possono usare gli ultrasuoni per creare una "lente" virtuale all'interno del corpo, piuttosto che impiantare una lente fisica. Utilizzando modelli di onde ultrasoniche, i ricercatori possono "concentrare" efficacemente la luce all'interno del tessuto, che consente loro di acquisire immagini mai accessibili prima con mezzi non invasivi.

Il tessuto biologico è in grado di bloccare la maggior parte della luce, soprattutto luce nella gamma visibile dello spettro ottico. Perciò, gli attuali metodi di imaging ottico non possono utilizzare la luce per accedere ai tessuti profondi dalla superficie. Il laboratorio di Chamanzar, però, ha utilizzato gli ultrasuoni non invasivi per indurre maggiore trasparenza per consentire una maggiore penetrazione della luce attraverso mezzi torbidi, come il tessuto biologico.

"Essere in grado di trasmettere immagini da organi come il cervello senza la necessità di inserire componenti ottici fisici fornirà un'importante alternativa all'impianto di endoscopi invasivi nel corpo, " dice Chamanzar. "Abbiamo usato le onde ultrasoniche per scolpire una lente a relè ottico virtuale all'interno di un dato mezzo di destinazione, che per esempio, può essere tessuto biologico. Perciò, il tessuto si trasforma in una lente che ci aiuta a catturare e trasmettere le immagini di strutture più profonde. Questo metodo può rivoluzionare il campo dell'imaging biomedico".

Le onde ultrasoniche sono in grado di comprimere e rarefarsi, o magro, qualunque mezzo stiano attraversando. Nelle regioni compresse, la luce viaggia più lentamente rispetto alle regioni rarefatte. In questo documento, il team mostra che questo effetto di compressione e rarefazione può essere utilizzato per scolpire una lente virtuale nel mezzo di destinazione per l'imaging ottico. Questa lente virtuale può essere spostata senza disturbare il supporto semplicemente riconfigurando le onde ultrasoniche dall'esterno. Ciò consente l'imaging di diverse regioni target, tutto in modo non invasivo.

Il metodo pubblicato è una tecnologia di piattaforma che può essere applicata in molte applicazioni diverse. In futuro, può essere implementato sotto forma di dispositivo portatile o patch di superficie indossabile, a seconda dell'organo sottoposto a imaging. Posizionando il dispositivo o il cerotto sulla pelle, il clinico sarebbe in grado di ricevere facilmente informazioni ottiche dall'interno del tessuto per creare immagini di ciò che è all'interno senza i numerosi disagi ed effetti collaterali dell'endoscopia.

Le applicazioni attuali più vicine a questa tecnologia sarebbero l'imaging endoscopico del tessuto cerebrale o l'imaging sottocutaneo, ma questa tecnica può essere utilizzata anche in altre parti del corpo per l'imaging. Al di là delle applicazioni biomediche, questa tecnica può essere utilizzata per l'imaging ottico nella visione artificiale, metrologia, e altre applicazioni industriali per consentire l'imaging non distruttivo e orientabile di oggetti e strutture su scala micron.

I ricercatori hanno dimostrato che le proprietà della "lente" virtuale possono essere sintonizzate modificando i parametri delle onde ultrasoniche, consentendo agli utenti di "mettere a fuoco" le immagini scattate utilizzando il metodo a diverse profondità attraverso il mezzo. Mentre il LSA il documento si concentra sull'efficacia del metodo per applicazioni più vicine alla superficie, il team deve ancora trovare il limite alla profondità all'interno del tessuto corporeo che questo metodo di imaging ottico assistito da ultrasuoni può raggiungere.

"Ciò che distingue il nostro lavoro dai metodi acusto-ottici convenzionali è che stiamo utilizzando il mezzo di destinazione stesso, che può essere tessuto biologico, influenzare la luce mentre si propaga attraverso il mezzo, " spiega Chamanzar. "Questa interazione in situ offre opportunità per controbilanciare le non idealità che disturbano la traiettoria della luce".

Questa tecnica ha molte potenziali applicazioni cliniche, come la diagnosi di malattie della pelle, monitoraggio dell'attività cerebrale, e diagnosi e terapia fotodinamica per l'identificazione e il targeting di tumori maligni.

Oltre alle implicazioni dirette che questa ricerca ha sulla medicina clinica, avrà anche applicazioni cliniche indirette. Utilizzando questa tecnologia acusto-ottica per visualizzare modelli murini di disturbi cerebrali in azione e stimolare selettivamente diversi percorsi neurali, i ricercatori sarebbero in grado di studiare i meccanismi coinvolti in condizioni di malattia come il Parkinson, informare la progettazione di interventi terapeutici clinici di prossima generazione per trattare queste malattie negli esseri umani.

"I supporti torbidi sono sempre stati considerati ostacoli per l'imaging ottico, "dice Scopelliti. "Ma abbiamo dimostrato che tali media possono essere convertiti in alleati per aiutare la luce a raggiungere il bersaglio desiderato. Quando attiviamo gli ultrasuoni con lo schema corretto, il mezzo torbido diventa immediatamente trasparente. È emozionante pensare al potenziale impatto di questo metodo su una vasta gamma di campi, dalle applicazioni biomediche alla visione artificiale".