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Micro dispositivo per ottenere immagini 3D dall’interno del cuore e dei vasi sanguigni

I ricercatori della Georgia Institute of Technology hanno sviluppato una tecnologia che potrebbe, in tempo reale, fornire immagini 3D dall’interno del cuore, dalle arterie coronarie e dai vasi sanguigni periferici.

Grazie alla sua imaging volumetrica questo dispositivo potrebbe guidare i chirurghi all’interno del cuore in maniera piu’ efficace, aiutando a ripulire le arterie ostruite dei pazienti senza bisogno di interventi chirurgici importanti.

Il dispositivo integra trasduttori ad ultrasuoni con componenti elettronici per l’elaborazione dati su un singolo chip CMOS al silicio di 1.4 millimetri.Il processo on-chip dei segnali permette ai dati, che provengono da più di cento elementi presenti sul dispositivo, di essere trasmessi usando solo 13 sottili cavetti, permettendogli di viaggiare facilmente all’interno dei tortuosi vasi sanguigni.  Le immagini anteriori prodotte dal dispositivo fornirebbero molte informazioni in più delle tecniche esistenti ad ultrasuoni trasversali.

 

Il concept di un dispositivo basato su un catetere a chip singolo che provedderebbe un imaging frontale e 3D in tempo reale direttamente dall'interno del cuore, delle arterie coronarie e vasi sanguigni periferici. (credit: Gokce Gurun et al./IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control)

Il concept di un dispositivo basato su un catetere a chip singolo che provedderebbe un imaging frontale e 3D in tempo reale direttamente dall’interno del cuore, delle arterie coronarie e vasi sanguigni periferici.
(credit: Gokce Gurun et al./IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control)

Una visione 3D dei vasi sanguigni
“Il nostro dispositivo permetterebbe ai dottori di vedere davanti a se’ l’intero volume all’interno di un vaso sanguigno”, spiega F. Levent Degertekin, professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering alla Georgia Institute of Technology. “Questo darà ai cardiologi l’equivalente di una torcia elettrica, cosi’ che possano vedere le ostruzioni di fronte a se’ nelle arterie occluse. Ciò avrebbe il potenziale di ridurre la quantita’ di interventi necessari per ripulirle.”

Se sei un dottore ti piacerebbe vedere cosa sta succedendo all’interno delle arterie e del cuore, ma la maggior parte del dispositivi usati oggi forniscono solo immagini trasversali”, spiega Degertekin.

Se, per esempio, si è alle prese con un’arteria totalmente bloccata è necessario poterne osservare il fronte, il retro e le pareti, tutto assieme. Questo genere di informazione non e’ praticamente disponibile al momento.”

Il dispositivo a singolo chip combina matrici di trasduttori ad ultrasuoni capacitivi microlavorati con interfaccia a tecnologia elettronica CMOS per fornire ultrasuoni intravascolari tridimensionali (IVUS) e immagini ecografiche intracardiache (ICE).

L’Imaging ultrasonico e il sistema di trasmissione si trovano in un dispositivo di solo 1.5 millimetri di diametro.
La matrice a doppio anello include 56 elementi di trasmissione a ultrasuoni e 48 riceventi. Da assemblato, la matrice a forma di ciambella ha un diametro di soli 1.5 mm, con un foro centrale di 430 micron per il passaggio del cavo guida.

Circuiti a risparmio energico inclusi nella matrice spengono i sensori quando questi non sono utilizzati, permettendo al dispositivo di operare con soli 20 milliwatt di potenza, riducendo in questo modo il calore generato all’interno del corpo. Il trasduttore a ultrasuoni lavora a una frequenza di 20 megahertz (MHz).

Dispositivi di imaging che operano nei vasi sanguigni possono fornire immagini a risoluzione piu’ alta di dispositivi che sono usati all’esterno del corpo, perche’ possono operare a frequenze ultrasoniche piu’ alte. Ma operare all’interno dei vasi sanguigni richiede dispositivi abbastanza piccoli e flessibili da riuscire a spostarsi all’interno del sistema circolatorio, e riuscire ad operare immersi nel sangue.

Queste caratteristiche richiedono un grande numero di elementi per trasmettere e ricevere l’informazione sotto forma di ultrasuoni. Trasmettere i dati da questi a elementi di elaborazione esterni potrebbe avrebbero bisogno di molte connessioni via cavo che rischierebbero di limitare l’abiità del dispositivo di essere infilato all’interno del corpo.

Dergertekin e i suoi collabotori hanno cercato di risolvere questo problema miniaturizzando gli elementi ed eseguendo alcuni dei processi di elaborazione sulla sonda stessa, permettendogli di ottenere immagini clinicamente rilevanti sono solo 13 cavetti.

Se si vuole ottenere il catetere più compatto e flessibile possibile”, spiega Degertekin “é impossibile farlo senza integrare l’elettronica e la matrice di imaging sullo stesso chip”.

Il dispositivo mostrato sul polpastrello di un dito (credit: Georgia Tech Photo, Rob Felt)

Il dispositivo mostrato sul polpastrello di un dito (credit: Georgia Tech Photo, Rob Felt).

Prossimo passo: la sperimentazione sugli animali

I ricercatori hanno sviluppato e testato un prototipo capace di fornire dati a 60 fotogrammi per secondo e si aspettano di poter condurre sperimentazioni animali per dimostrare le potenziali applicazioni del dispositivo. Infine hanno aspettato la licenza da una società di diagnostica medica istituita per poter condurre gli studi clinici necessari per ottenere la licenza FDA.

Per il futuro Degertekin spera di svilupare una versione del dispositivo che potrebbe guidare gli interventi nel cuore sotto imaging a risonanza magnetica (MRI). Altri piani includono una ulteriore riduzione delle dimensioni del dispositivo da posizionare in una GUIDE WIRE del diametro di 400micron.

I dettagli della ricerca sono stati pubblicati on-line nel numero di febbraio 2014 della rivista IEEE Transactions of Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control

La ricerca che ha portato allo sviluppo del dispositivo è stato supportato dalla National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB), parte della National Institutes of Health.

Daniel Iversen
27 febbraio 2014

 

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