L'ecografia è uno dei cavalli di battaglia di un ospedale moderno. Colpisce la tripletta di essere relativamente economico, portatile e non invasivo. Anche far sì che i futuri genitori diventino un po' emotivi per le immagini del feto è un vantaggio apprezzato.

Ma l'ecografia ha i suoi limiti. La sua risoluzione è spesso limitata dalla lunghezza d'onda acustica, che è piuttosto lungo, rispetto alle lunghezze d'onda ottiche. Ciò è aggravato dalle limitazioni dei trasduttori acustici:sono tipicamente ottimizzati per una piccola gamma di frequenze acustiche, che limita la risoluzione delle misurazioni del tipo a tempo di volo. Poi c'è il problema di far entrare e uscire le onde sonore dal corpo. La grande discrepanza tra le proprietà acustiche del corpo umano e l'aria (o un microfono solido) può causare grandi perdite. Per superare questo problema, scienziati e ingegneri hanno escogitato alcune soluzioni piuttosto creative, come immergere parzialmente il paziente in un bagno per migliorare l'adattamento acustico. Essere in grado di posizionare sorgenti acustiche ovunque sul corpo con una buona corrispondenza acustica eviterebbe questi problemi. Ma la tecnologia attuale non lo consente perché i trasduttori richiedono una fonte di alimentazione ingombrante.

Lan e colleghi, segnalazione nel giornale ad accesso aperto sottoposto a revisione paritaria Fotonica avanzata , hanno sviluppato un trasduttore a ultrasuoni wireless che viene eccitato in modo efficiente dalle microonde. Il risultato è un semplice cerotto pieno di olio che può essere posizionato ovunque sul corpo. Niente batterie, nessun filo, e niente bagno.

L'anello di filo induce buone vibrazioni

Il principio di base si basa sull'utilizzo dell'assorbimento delle microonde per generare onde sonore. Le microonde sono un ottimo compromesso tra imaging fotoacustico, che ha un'alta risoluzione ma una bassa profondità di imaging, e l'ecografia tradizionale. Le microonde producono una risoluzione inferiore rispetto ai sistemi ottici, ma anche la dispersione è molto più bassa, quindi la profondità di eccitazione non è più un problema. Ma, anche l'assorbimento delle microonde da parte dell'organismo è molto basso, quindi le onde sonore generate sono molto deboli.

La potenza assorbita è proporzionale all'ampiezza delle microonde. Un microonde ad alta ampiezza indurrà un'onda acustica più forte. Lo sfortunato effetto collaterale è che potresti inavvertitamente cucinare la persona che stai immaginando. Per evitare cotture involontarie, le microonde dovrebbero essere concentrate proprio dove servono. Questo è ciò che fa il dispositivo che Lan e colleghi hanno sviluppato.

La tecnica si basa sulle proprietà del risonatore ad anello diviso. Un risonatore ad anello diviso è un anello di filo rotto. Se esposto a microonde, una corrente scorre nell'anello. Ma, perché l'anello non è completo, la carica "si accumula" al divario, creando una grande tensione tra le estremità del filo. Questa grande tensione oscillante significa che, proprio nel vuoto, la potenza assorbita è elevata, e le onde acustiche indotte termoelasticamente sono prodotte in modo efficiente.

Ora, un risonatore implica che è più efficiente a una particolare frequenza di radiazione. I risonatori ad anello diviso non fanno eccezione:la frequenza di risonanza è controllata dal diametro dell'anello del filo e dal mezzo in cui è posizionato. Lan e colleghi hanno scelto un diametro di circa 13 mm, che risuona a circa 2,3 GHz in aria, e 2,5 GHz in olio. Ma, la caratteristica più importante è la larghezza di banda del risonatore. Qui, i ricercatori devono affrontare una scelta. Per aumentare la potenza assorbita, è vantaggioso avere un risonatore che ha una larghezza di banda molto stretta. Però, produrre impulsi sonori molto brevi, la larghezza di banda deve essere molto ampia. I ricercatori hanno ottenuto un risonatore ad anello diviso con una larghezza di banda di circa 200 MHz, circa 10-20 volte quella di un tradizionale trasduttore piezoelettrico.

Risonatore wireless conforme

La flessibilità del risonatore ad anello diviso è stata dimostrata da una serie di esperimenti che hanno dimostrato che potrebbe essere utilizzato per generare miscele di frequenze ultrasoniche pulsando l'eccitazione a microonde. Sono state prodotte frequenze acustiche fino a circa 2,5 MHz, ma, in base alla larghezza di risonanza del risonatore ad anello diviso, probabilmente si possono produrre frequenze più alte.

Probabilmente il più grande vantaggio è che il risonatore è solo un anello di rame. Inserendo l'anello in una busta di plastica con dell'olio (l'olio assorbe le microonde e si adatta alle proprietà acustiche del corpo), l'anello può essere posizionato ovunque sul corpo ed eccitato a distanza. I ricercatori lo dimostrano usando un fantasma del seno. L'anello è stato posto sotto il seno, e l'attrezzatura di rilevamento sulla parte superiore. I segnali ultrasonici eccitati in modalità wireless erano forti, e i ricercatori mostrano che sono necessari appena 10 mW di potenza media per ottenere un segnale a ultrasuoni.

Ora che la prova di principio è stata mostrata, il passo successivo deve essere quello di costruire un sistema di imaging.