Tra i vari strumenti basati sull'ottica utilizzati nella diagnostica, l'ottica diffusa (DO) sta rapidamente emergendo come una delle tecnologie più interessanti. La tecnica si basa sull'analisi del modo in cui la luce viene assorbita e diffusa dai tessuti biologici, in relazione alla composizione chimica e alla struttura del tessuto. Uno dei principali vantaggi di DO è che non è invasivo (utilizza luce nel vicino infrarosso a bassa potenza). Inoltre, può essere utilizzato per sondare i tessuti a profondità fino a pochi centimetri e può persino rilevare l'attivazione funzionale e l'ossigenazione del cervello o dei muscoli. È quindi probabile che il DO assuma un ruolo centrale nella diagnosi e nel monitoraggio dei pazienti sia in ospedale che a domicilio.

Tuttavia, anche quando si utilizzano gli stessi principi DO per studiare o diagnosticare una determinata malattia, cliniche e laboratori in tutto il mondo utilizzano piattaforme e tecniche molto diverse. Ciò rappresenta una sfida quando si cerca di valutarne le prestazioni, che è necessario per identificare apparecchiature malfunzionanti, confrontare gli sviluppi nella tecnologia DO, stabilire un terreno comune per confrontare tecniche e strumenti e consentire il riutilizzo e l'interpretazione affidabili dei dati aperti generati.

Fortunatamente, una collaborazione tra 12 istituzioni europee, nel quadro della rete di formazione innovativa "BitMap" di Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie dell'Unione europea, guidata da Hamid Dehghani, Università di Birmingham, sta facendo grandi passi avanti verso la realizzazione della valutazione e standardizzazione delle prestazioni (PAS ) nel campo del DO. Sfruttando oltre due decenni di sforzi di ricerca congiunti, l'iniziativa è incentrata su tre protocolli sviluppati in precedenza per valutare le prestazioni degli strumenti DO. Questa iniziativa prevede tre azioni principali:l'azione 1 prevede la raccolta di dati sperimentali, l'azione 2 si concentra sulla messa a disposizione di questi dati come dati aperti e l'azione 3 ruota attorno a un'analisi comune dei dati utilizzando gli stessi strumenti e le stesse tecniche.

Uno studio pubblicato nel Journal of Biomedical Optics (JBO) presenta i risultati ottenuti nel contesto dell'Azione 1. L'esercizio BitMap presentato in questo documento è il più grande confronto multilaboratorio di strumenti DO, che comprende 12 istituzioni e 28 sistemi. Attraverso questo confronto, lo studio mira a rafforzare la cultura della PAS nella comunità DO e oltre e proporre una metodologia comune che può essere adottata in altri ambienti. Un risultato interessante di questo particolare lavoro è la concezione di valori numerici semplici, detti indicatori sintetici, per ciascuno dei test impiegati. Questi indicatori consentono un facile confronto tra la gamma di strumenti registrati.

Confrontare le prestazioni di diversi strumenti DO è complicato. I ricercatori hanno optato per tre protocolli adottati a livello internazionale (BIP, MEDPHOT e NEUROPT) per sfidare ogni sistema DO. Il protocollo BIP è servito a caratterizzare le prestazioni ottiche di base di ogni strumento, mentre il protocollo MEDPHOT ha caratterizzato il modo in cui ogni strumento potrebbe recuperare proprietà ottiche omogenee, ovvero assorbimento e coefficienti di scattering ridotti. Infine, il protocollo NEUROPT ha testato quanto bene ciascun sistema potesse rilevare le disomogeneità in un campione concentrandosi sulle misure relative al contrasto. Inoltre, i ricercatori hanno concordato tre diversi kit fantasma, ognuno dei quali è stato appositamente realizzato per uno dei protocolli (un "fantasma" si riferisce a una struttura artificiale, tipicamente utilizzata per la calibrazione e il test, che emula determinate proprietà del tessuto umano).

Gli esperimenti consistevano nell'esecuzione di un assortimento di test pertinenti da ciascun protocollo sul rispettivo kit fantasma, utilizzando ciascuno degli strumenti DO. I ricercatori hanno quindi confrontato i risultati ottenuti da questi esperimenti per capire quali strumenti e tecniche hanno mostrato le migliori prestazioni, quanto fossero riproducibili i risultati e quanta variabilità c'era tra misurazioni effettuate utilizzando sistemi diversi. Hanno riscontrato una differenza sostanziale nelle prestazioni hardware tra i diversi sistemi, che li ha aiutati a identificare alcuni problemi critici relativi alla valutazione delle prestazioni in DO.

I ricercatori hanno in programma di distribuire l'intero set di dati raccolto attraverso l'Azione 1 in un repository di dati aperto (Azione 2). Ciò aiuterebbe loro e altri ad analizzare e confrontare aspetti specifici dei sistemi DO (Azione 3). Uno degli obiettivi finali del progetto è identificare e mitigare le incertezze e gli artefatti di misurazione per ciascuno strumento e metodo di analisi, liberandone così il pieno potenziale.

"Great advances in physics derived from precise measurements of specific physical quantities—planet orbits, speed of light, particle masses, etc. Photon migration through the human body is complicated by the biological variability, but not the basic physics underlying it all," says senior author Antonio Pifferi, Politecnico di Milano, Italy. "We can disentangle the uncertainties and artifacts produced by the instruments and analysis tools from the biological variability, with great benefit for clinical use."

These efforts will open doors to a powerful and reliable DO technology, enabling more accurate and convenient diagnostics. + Esplora ulteriormente

NIST 'how-to' website documents procedures for nano-EHS research and testing