Imaging fotoacustico, una tecnica per esaminare i materiali viventi attraverso l'uso della luce laser e delle onde sonore ultrasoniche, ha molte potenziali applicazioni in medicina grazie alla sua capacità di mostrare tutto, dagli organi ai vasi sanguigni ai tumori.

Lihong Wang del Caltech, un pioniere nel campo, ha sviluppato varianti di imaging fotoacustico in grado di mostrare gli organi in movimento in tempo reale, sviluppare immagini tridimensionali (3D) di parti interne del corpo, e persino differenziare le cellule cancerose da cellule sane.

Wang, Bren Professore di Ingegneria Medica e Ingegneria Elettrica, ha ora una tecnologia di imaging fotoacustica ulteriormente avanzata con quella che chiama Topografia fotoacustica attraverso un relè ergodico (PATER), che mira a semplificare l'attrezzatura necessaria per l'imaging di questo tipo.

Per spiegare come funziona PATER, sono necessarie alcune informazioni di base. L'imaging fotoacustico funziona inviando un impulso di luce laser nel tessuto da esaminare. Quando la luce colpisce le molecole nel tessuto, li fa vibrare, creando onde ultrasoniche che viaggiano attraverso il tessuto fino a quando non vengono raccolte da un tipo di sensore chiamato trasduttore che viene premuto contro la superficie del tessuto. I segnali rilevati dai trasduttori vengono elaborati da un computer per creare un'immagine della struttura interna del tessuto.

Questo sistema funziona, ma per sviluppare un'immagine chiara, sono necessari più sensori. Un'iterazione della tecnologia utilizza 512 sensori che devono essere tutti premuti contro il tessuto contemporaneamente.

"Ogni punto della superficie deve essere coperto da una serie di trasduttori, ed è un po' costoso da costruire, " Dice Wang. "Stiamo pensando a come rendere il nostro sistema più economico, e indossabile. È difficile realizzare un array abbastanza compatto da poter essere indossato".

Rendere il sistema più economico e compatto significa utilizzare meno sensori, ma ciò renderebbe difficile raccogliere dati sufficienti per sviluppare un'immagine. Ora, Wang e il suo team di ricerca hanno trovato una soluzione alternativa:un cosiddetto relè ergodico.

Nell'informatica, ci sono due modi principali per trasmettere i dati:seriale e parallelo. Nella trasmissione seriale, i dati vengono inviati in un unico flusso attraverso un canale di comunicazione. Nella trasmissione parallela, più dati vengono inviati contemporaneamente utilizzando più canali di comunicazione.

I due tipi di comunicazione sono approssimativamente analoghi al modo in cui i registratori di cassa potrebbero essere utilizzati in un negozio. La comunicazione seriale sarebbe come avere un registratore di cassa. Tutti entrano nella stessa fila e vedono lo stesso cassiere. La comunicazione parallela sarebbe come avere più registri e una linea per ciascuno.

Il sistema progettato da Wang con 512 sensori è simile al negozio con molti registratori di cassa. Tutti i sensori funzionano contemporaneamente, con ciascuna presa in parte dei dati sulle vibrazioni ultrasoniche generate dall'impulso laser.

Poiché le vibrazioni ultrasoniche del sistema arrivano in un breve lampo, un singolo sensore sarebbe sopraffatto se fosse utilizzato per cercare di raccogliere tutti i dati in quel breve lasso di tempo. È qui che entra in gioco il relè ergodico.

Come lo descrive Wang, un relè ergodico è una sorta di camera attorno alla quale può risuonare il suono. Quando le vibrazioni ultrasoniche passano attraverso il relè ergodico, sono distesi nel tempo. Per tornare alla metafora del registratore di cassa, sarebbe come avere un altro dipendente che assiste il singolo cassiere dicendo ai clienti di fare qualche giro intorno al negozio finché il cassiere non è pronto a vederli, così il cassiere non viene sopraffatto.

Wang afferma che questa prima versione del sistema PATER è in grado di generare immagini 2-D ma non può ancora generare immagini 3-D come alcuni dei suoi altri sistemi fotoacustici. Aggiunge che il sistema, quando è maturo, potrebbe anche essere utile per altri scopi medici oltre alla semplice visualizzazione di tessuti e strutture corporee.

"Potremmo forse usarlo per rilevare i livelli di glucosio dei pazienti diabetici se usiamo la lunghezza d'onda della luce assorbita dal glucosio, " dice. "Forse potremmo eseguire pannelli lipidici? Possiamo percepire tutti i tipi di sostanze chimiche se mettiamo a punto il sistema per queste molecole".

Il documento che descrive la tecnologia, intitolato "Topografia fotoacustica istantanea attraverso un relè ergodico per l'imaging ad alta produttività dell'assorbimento ottico, " appare nel numero del 20 gennaio di Fotonica della natura .