Sia gli ultrasuoni per l'imaging medico che la sismologia per l'imaging dell'interno della Terra misurano la propagazione delle onde attraverso la materia. Ad esempio, quando le onde sismiche incontrano differenze materiali all'interno della Terra, ad esempio tra diverse formazioni rocciose, vengono riflesse e rifratte alle loro interfacce. Di conseguenza, la velocità delle onde cambia. Se i ricercatori misurano queste onde in superficie, possono trarre conclusioni sulla struttura dell'interno della Terra, nonché sulla composizione delle rocce e sulle loro proprietà materiali come densità, pressione o temperatura.

Con l'aiuto di sofisticati algoritmi e computer ad alte prestazioni come Piz Daint al CSCS, ricercatori come Andreas Fichtner dell'ETH di Zurigo, professore all'Istituto di Geofisica e capo del Gruppo di sismologia e fisica delle onde, possono utilizzare questi dati d'onda per caratterizzare i tre -struttura dimensionale della Terra. I parallelismi con la propagazione tra ultrasuoni e onde sismiche, così come il know-how del team nel campo della fisica delle onde - come le informazioni trasportate dalle onde possono essere utilizzate e convertite in immagini - hanno portato il professore dell'ETH e il suo gruppo a studiare anche le onde propagazione per ecografia medica.

I ricercatori stanno continuando a lavorare insieme ai medici dell'ospedale universitario dell'Università di Zurigo per sviluppare ulteriormente queste tecniche. Se Marty riuscirà durante i prossimi tre anni della sua tesi di dottorato a sviluppare ulteriormente le procedure per il meshing e l'imaging del cervello, questi stessi metodi potrebbero essere trasferibili ad altre parti del corpo, come ginocchia o gomiti. Ciò servirebbe come base promettente per lo sviluppo di un dispositivo a ultrasuoni corrispondente.

Patrick Marty, Ph.D. studente nel gruppo di Fichtner, sta ora sviluppando nella sua tesi di dottorato un metodo per superare questa sfida con il supporto di Christian Böhm, scienziato senior nel Gruppo di sismologia e fisica delle onde. Questo metodo dovrebbe fornire la base per l'imaging del cervello con ultrasuoni ad alta risoluzione, secondo gli scienziati.

Per simulare la propagazione delle onde attraverso il cervello, i ricercatori stanno sviluppando algoritmi che eseguono molti calcoli su una griglia speciale nota come mesh. Al centro di questo c'è un pacchetto software chiamato Salvus. Sviluppato all'ETH di Zurigo con il supporto di CSCS, Salvus modella la propagazione del campo d'onda completo (forma d'onda intera) su scale spaziali che vanno da pochi millimetri a migliaia di chilometri. I sismologi dell'ETH utilizzano questo software per simulare le onde sismiche, ad esempio per esplorare l'interno della Terra o di Marte, e ora anche per l'imaging medico. Il pacchetto software utilizza il metodo dell'elemento spettrale (SEM), particolarmente adatto per simulare la propagazione delle onde in mezzi con transizioni di materiale ad alto contrasto, come il tessuto cerebrale molle e le ossa.

"A differenza degli ultrasuoni convenzionali, che utilizzano solo il tempo di arrivo delle onde, nelle nostre simulazioni utilizziamo l'intera informazione sull'onda", afferma Marty. Ciò significa che la forma, la frequenza, la velocità e l'ampiezza dell'onda in ogni punto della sua propagazione confluiscono nei calcoli.

Apprendimento con uno scanner per immagini a risonanza magnetica

Per il loro modello, i ricercatori usano prima una risonanza magnetica del cervello come riferimento. Quindi, sul supercomputer Piz Daint, eseguono calcoli con parametri diversi finché l'immagine simulata non corrisponde a quella della risonanza magnetica.

Con questo metodo, ottengono un'immagine quantitativa invece dell'immagine in scala di grigi meno informativa comune agli ultrasuoni convenzionali. Utilizzando tutte le informazioni dal campo d'onda completo, i ricercatori possono mappare correttamente le proprietà fisiche del mezzo - la velocità con cui le onde ultrasoniche si propagano attraverso il tessuto, le loro proprietà di smorzamento e la densità del tessuto - in ogni punto del cervello. Ciò consente in definitiva di determinare il tipo di tessuto e distinguere se si tratta di una massa cerebrale o di un tessuto tumorale, ad esempio, poiché la densità, l'attenuazione o la velocità del suono associate ai diversi tipi di tessuti sono note da esperimenti di laboratorio.

I ricercatori sono convinti che questo metodo possa essere utilizzato per distinguere il tessuto sano da quello malato, pur essendo non invasivo ed economico. In particolare, questo metodo potrebbe essere inserito in un computer integrato in un dispositivo a ultrasuoni appositamente sviluppato per questo scopo. Il computer eseguirebbe una serie di calcoli utilizzando i segnali ultrasonici registrati dai sensori e il risultato sarebbe un'immagine 3D del cervello in esame. Tuttavia, i ricercatori sottolineano che c'è ancora molta strada da fare prima che questo possa entrare nella pratica clinica.

Una particolare sfida rimanente è la complessa geometria del cranio, dovuta a cavità di occhi, naso e mascella, ecc., che deve essere modellata con precisione nella simulazione senza aumentare drasticamente il tempo di calcolo. Per risolvere questo problema, Marty sta sviluppando metodi che creano singole maglie numeriche per forme craniche arbitrarie da esaedri (piccoli elementi con sei facce). "Con questi piccoli cubi deformati, siamo da 100 a 1000 volte più veloci che se lavorassimo con i tetraedri", afferma Böhm. "Inoltre, il progetto trae grandi benefici dai nuovi sviluppi nelle schede grafiche, come quelle che abbiamo in Piz Daint e, in futuro, in Alps. Sono ideali per questo metodo."

Pertanto, circa sei anni fa, il gruppo di ricerca ha lavorato con i medici per sviluppare con successo metodi a ultrasuoni per la diagnosi precoce del cancro al seno. Il team sta ora studiando come esaminare il cervello con gli ultrasuoni. Con questo metodo, ricercatori e medici potrebbero un giorno monitorare i pazienti colpiti da ictus o identificare i tumori cerebrali, ad esempio.

Esame non invasivo ed economico

Rispetto alla tomografia computerizzata (TC) o ai raggi X, l'ecografia ha un vantaggio decisivo:la procedura è quasi del tutto innocua per l'organismo. Inoltre, è molto più conveniente della risonanza magnetica (MRI), ad esempio, e i dispositivi a ultrasuoni sono trasportabili per l'uso in regioni remote. Il problema, tuttavia, è che gli ultrasuoni finora hanno funzionato bene solo per i tessuti molli:è molto difficile ottenere onde ultrasoniche attraverso strutture dure come il cranio, perché l'osso riflette e smorza fortemente le onde. + Esplora ulteriormente

Modello teorico che descrive il moto delle onde ultrasoniche in presenza di più bolle