Una nuova tecnica di imaging 3D a colori combina ultrasuoni e fotoacustica per mostrare struttura e funzione dei tessuti con una precisione rivoluzionaria, aprendo nuove possibilità diagnostiche
Quando gli ultrasuoni diventano colore: la nuova rivoluzione dell’imaging medico.
Attraverso una combinazione ingegnosa di due modalità di imaging, gli scienziati del Caltech e della USC hanno sviluppato una nuova tecnica in grado di fornire rapidamente immagini 3D a colori che catturano sia la struttura dei tessuti molli sia i dettagli del funzionamento dei vasi sanguigni. I ricercatori hanno utilizzato la nuova tecnica per ottenere con successo immagini di diverse parti del corpo umano. Il metodo mostra un grande potenziale per migliorare l’imaging dei tumori al seno, il monitoraggio dei danni ai nervi causati dal diabete e l’imaging cerebrale, tra le altre applicazioni.
Il team descrive la nuova tecnica in un articolo pubblicato da Nature Biomedical Engineering (1).
L’ecografia tradizionale fornisce informazioni strutturali in modo rapido ed economico, ma ha un campo visivo limitato e mostra la morfologia solo in due dimensioni. Nel frattempo, l’imaging fotoacustico presenta vantaggi e sfide quasi opposti. Esso consiste nell’inviare luce laser nel corpo e misurare le onde sonore che ne fuoriescono. Aiuta medici e ricercatori a osservare le molecole nel sistema vascolare in colore ottico, consentendo la visualizzazione del flusso sanguigno attraverso vene e arterie. Tuttavia, l’imaging fotoacustico risulta insufficiente quando si tratta di dettagli strutturali.
Altri strumenti di imaging, come la tomografia computerizzata e la risonanza magnetica, presentano i propri svantaggi: richiedono mezzi di contrasto, sono costosi, implicano l’uso di radiazioni ionizzanti oppure sono troppo lenti per un utilizzo ripetuto e regolare.
Entra in scena RUS-PAT (tomografia a ultrasuoni rotazionale, RUST, combinata con tomografia fotoacustica, PAT). Il dottor Lihong Wang (2), Bren Professor of Medical Engineering and Electrical Engineering e Andrew and Peggy Cherng Medical Engineering Leadership Chair al Caltech, ha sviluppato la PAT più di vent’anni fa. Attraverso la PAT, le molecole nei tessuti che assorbono la luce ottica vengono visualizzate perché iniziano a vibrare quando colpite da luce laser pulsata, generando onde acustiche che possono essere misurate e convertite in immagini ad alta risoluzione.
Il dottor Lihong Wang, che è anche executive officer per l’ingegneria medica al Caltech, afferma che l’obiettivo del suo gruppo con il lavoro attuale era combinare i vantaggi della PAT con quelli degli ultrasuoni. «Ma non è come uno più uno. Dovevamo trovare un modo ottimale per combinare le due tecnologie».
L’ecografia utilizza tipicamente molti trasduttori sia per generare sia per ricevere onde ultrasonore, e combinare direttamente questo processo con la PAT sarebbe troppo complesso e costoso per un uso su larga scala. La PAT, invece, richiede soltanto la rilevazione degli ultrasuoni, e questo ha dato a Wang un’idea. «Ho pensato: “Aspetta, possiamo semplicemente imitare l’eccitazione luminosa delle onde ultrasonore nella tomografia fotoacustica, ma farlo in modo ultrasonico?”». La PAT permette alla luce laser di diffondersi all’interno del tessuto, provocando alla fine la produzione di onde acustiche misurabili. Allo stesso modo, ha ragionato Wang, si potrebbe utilizzare un singolo trasduttore ultrasonico a campo ampio per trasmettere un’onda ultrasonora in modo esteso nel tessuto.
Si potrebbero poi usare gli stessi rivelatori per misurare le onde risultanti in entrambe le modalità. Nel nuovo sistema, un piccolo numero di rivelatori arcuati viene fatto ruotare attorno a un punto centrale, permettendo loro di comportarsi come un rivelatore emisferico completo ma con una complessità e un costo molto inferiori.
«La nuova combinazione di tecniche acustiche e fotoacustiche affronta molte delle principali limitazioni delle tecniche di imaging medico ampiamente utilizzate nella pratica clinica attuale e, cosa importante, qui è stata dimostrata la fattibilità dell’applicazione sull’uomo in molteplici contesti», afferma il dottor Charles Y. Liu (3), autore dell’articolo e visiting associate in biologia e ingegneria biologica al Caltech. Liu è anche professore alla Keck School of Medicine della USC, direttore dell’USC Neurorestoration Center e presidente del dipartimento di neurochirurgia al Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center.
La tecnica RUS-PAT potrebbe potenzialmente essere utilizzata in qualsiasi area del corpo in cui sia possibile far arrivare la luce, e per applicazioni in cui clinici o ricercatori trarrebbero beneficio da un imaging sinergico sia della morfologia sia della funzione legata al colore. Per esempio, RUS-PAT potrebbe migliorare l’imaging dei tumori al seno, offrendo ai medici la possibilità di conoscere l’esatta posizione di un tumore e i suoi tessuti circostanti, oltre alla sua patologia e fisiologia. Potrebbe anche aiutare i medici a monitorare i danni ai nervi causati dalla neuropatia diabetica, fornendo un metodo integrato per osservare contemporaneamente l’apporto di ossigeno e la morfologia. Wang afferma che la tecnica potrebbe essere utile anche nell’imaging cerebrale, permettendo agli scienziati di osservare i dettagli strutturali del cervello e, allo stesso tempo, di monitorare l’emodinamica.
Attualmente, il sistema può eseguire una scansione fino a una profondità di circa 4 centimetri. La luce può anche essere fornita per via endoscopica, rendendo potenzialmente accessibili alla nuova tecnologia tessuti più profondi. Una scansione RUS-PAT può essere effettuata in meno di un minuto.
L’attuale configurazione prevede un sistema di scansione con trasduttori a ultrasuoni e laser collocati sotto un lettino. È stato dimostrato su volontari e pazienti umani ed è nelle prime fasi dello sviluppo traslazionale.
I co‑primi autori dell’articolo sono Yang Zhang, Shuai Na e il dottor Jonathan J. Russin. Zhang e Na hanno svolto il lavoro come postdoc al Caltech e ora si trovano rispettivamente alla Tsinghua University e alla Peking University di Pechino. Russin proviene dalla Keck School of Medicine della USC e dal Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center di Downey, California. Ulteriori autori del Caltech sono Karteekeya Sastry, Li Lin (PhD ’20), Junfu Zheng, Yilin Luo, Xin Tong (MS ’21), Yujin An, Peng Hu (PhD ’23) e l’ex ricercatore Konstantin Maslov. Lin è ora alla Zhejiang University di Hangzhou, Cina. Il dottor Tze‑Woei Tan è co‑autore della Keck School of Medicine della USC. Il lavoro è stato sostenuto da finanziamenti del National Institutes of Health.
Riferimenti:
(1) Rotational ultrasound and photoacoustic tomography of the human body
(2) Lihong Wang
(3) Charles Y. Liu
Descrizione foto: La tecnica RUS-PAT (tomografia a ultrasuoni rotazionale, RUST, combinata con tomografia fotoacustica, PAT) combina i vantaggi dell'imaging ecografico per vedere la struttura dei tessuti con quelli della tomografia fotoacustica per rivelare la funzione del sistema vascolare. - Credit: Yang Zhang.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Bringing Optical Color to Ultrasound