L'innovazione tecnologica ha compiuto enormi progressi nel campo dell'imaging cerebrale, in particolare nelle modalità che permettono di ridurre il riflesso delle onde sonore dalla scatola cranica, favorendo così una trasmissione migliore dei segnali. Un esempio notevole di questa evoluzione è stato l'impiego da parte di Norman et al. di un materiale acustico speciale, spesso solo 2 mm, come "finestra acustica" per l'imaging transcranico, dimostrando il grande potenziale delle tecniche di imaging ad ultrasuoni. Questa applicazione evidenziava la capacità delle tecniche moderne di acquisire immagini in profondità attraverso il cranio, una problematica da sempre affrontata con limitazioni tecniche.

Un ulteriore progresso è rappresentato dalla miniaturizzazione degli apparati di imaging fotoacustico (PA). Questa modalità non invasiva, che genera onde ultrasoniche attraverso l'irradiazione del tessuto con un laser pulsato, ha ricevuto grande attenzione per la sua capacità di ricostruire le distribuzioni di assorbimento ottico nel corpo. Una delle principali sfide nell’adozione della PA su dispositivi miniaturizzati è la distribuzione densa e su larga scala degli elementi trasduttori in spazi ristretti. Nel 2016, Tang et al. progettano un dispositivo di imaging fotoacustico per cervelli di animali che incorpora una struttura 2.5D indossabile. Questo dispositivo è composto da array trasduttori elevazionali a 9,6 MHz, capaci di acquisire immagini simultaneamente su tre piani trasversali discreti. L’uso di array trasduttori a geometria anulare, come quello con diametro esterno di 2,5 mm e interno di 0,5 mm, ha suscitato grande interesse per l’imaging cerebrale, poiché permette di raccogliere segnali in maniera efficace nonostante le dimensioni compatte.

Parallelamente, i progressi nelle tecnologie ultrasoniche hanno ridotto l’impiego di scansioni meccaniche tradizionali, sostituendole con array ultrasonici compatti. Un passo avanti significativo è l’adozione di trasduttori a micromachining piezoelettrico (PMUT), che migliorano la sensibilità e la risoluzione spaziale grazie alla possibilità di manipolare le dimensioni degli array e sfruttare configurazioni avanzate come gli array emisferici 3D. L'approccio 3D offre una copertura angolare solida pari a 2π, migliorando la qualità delle immagini e la risoluzione, essenziale per il monitoraggio in tempo reale di cambiamenti funzionali rapidi nel cervello.

Nel 2022, l'introduzione da parte di Na et al. di un array di trasduttori a ultrasuoni parallelizzato ha ulteriormente spinto le capacità diagnostiche. Questo sistema consente di generare immagini tomografiche con un ampio campo visivo e alta risoluzione spaziale e temporale, fornendo una valida alternativa all’imaging funzionale mediante risonanza magnetica (fMRI) basata sul livello di ossigenazione del sangue (BOLD). Il sistema combina l’imaging fotoacustico funzionale (fPACT) con la risonanza magnetica, mostrando un'eccellente correlazione spaziale e permettendo di ottenere mappe cerebrali attivate in tempo reale.

Un altro passo significativo è stato il miglioramento degli algoritmi di ricostruzione delle immagini, come nel caso dell'algoritmo di compressione dati sviluppato da Wang et al., che permette di ridurre i dati di imaging ultrasonico da 33 MB a 6,6 MB in meno di 0,3 secondi, con un tasso di compressione dell'80%. Questa compressione è fondamentale per l'acquisizione in tempo reale e migliora l’efficacia dell’imaging durante i processi funzionali. Inoltre, l’introduzione di reti neurali convoluzionali (CNN) e reti generative antagoniste (GAN) ha contribuito a ricostruire immagini ad alta fedeltà anche da dataset parziali o rumorosi, risolvendo efficacemente la problematica della ridotta sensibilità al segnale (SNR) che si verifica durante la rilevazione di immagini con visione limitata.

Sebbene le tecnologie di imaging magnetico, come la risonanza magnetica (MRI), abbiano sempre dominato il campo della neuroimaging, l'approccio miniaturizzato sta progressivamente emergendo come una soluzione valida. La portabilità delle macchine MRI è sempre stata limitata dalla necessità di campi magnetici intensi e componenti compatibili. Tuttavia, nel 2019 Peng et al. hanno sviluppato una macchina MRI portatile che misura la suscettibilità magnetica del sangue umano, un indicatore potenziale per la diagnosi di malattie. Altri progressi includono il sistema di ultrasuoni compatibile con MRI progettato da Kim et al., in grado di osservare risposte funzionali alla stimolazione acustica nel cervello di topi.

La miniaturizzazione dell’apparecchiatura basata su magnetismo, come il sistema a magnetometro ottico (MEG-OPM), sta trasformando il modo in cui studiamo il cervello. Rispetto alla tradizionale tecnologia SQUID, MEG-OPM sfrutta l’interazione tra luce e atomi per rilevare campi magnetici estremamente deboli. Le dimensioni compatte e l’alta sensibilità (10–20 fT/√Hz) dei sensori MEG-OPM li rendono ideali per applicazioni indossabili, con possibilità di mappare l’attività cerebrale con precisione, anche in movimento.

Un altro aspetto cruciale da considerare è l'importanza di mantenere il bilanciamento tra la miniaturizzazione e l'affidabilità dei sistemi. Sebbene i dispositivi portatili offrano un potenziale incredibile per applicazioni cliniche e di ricerca, è fondamentale che l'accuratezza delle immagini non venga compromessa dalla riduzione delle dimensioni. Ogni riduzione di componenti deve essere accompagnata da un miglioramento delle tecniche di elaborazione dei dati e da un'attenta calibrazione dei sistemi per mantenere alte le performance in termini di risoluzione spaziale e sensibilità.

La visualizzazione ecografica e fotoacustica degli aghi metallici in interventi minimamente invasivi

L'ecografia (US) si distingue come una delle modalità intraoperatorie più comunemente utilizzate, offrendo un feedback visivo in tempo reale sulla posizione dell'ago e sulle informazioni anatomiche dei tessuti circostanti. Tuttavia, identificare con precisione l'ago, compresa la punta e l'asta, tramite l'imaging ecografico rimane una sfida a causa del contrasto ridotto dell'ago stesso. La visibilità della punta dell'ago può essere migliorata con l'imaging US grazie alla riflessione degli ultrasuoni dalla superficie irregolare della punta, ma l'identificazione successiva risulta complessa a causa delle dimensioni ridotte dell'ago. Inoltre, artefatti come i lobi laterali e la larghezza del fascio possono distorcere ulteriormente l'aspetto ecografico della punta dell'ago. Per la tecnica "in-plane", la visibilità dell'ago, in particolare dell'asta, dipende moderatamente dall'angolo di inserimento relativo al trasduttore ecografico. La visibilità diminuisce significativamente quando l'angolo di incidenza aumenta, poiché una parte consistente delle onde ultrasoniche riflessa sulla superficie dell'ago si dirige lontano dall'apertura del trasduttore a causa della riflessione speculare. Inoltre, artefatti di "riverberazione" degli ultrasuoni, come linee parallele multiple sotto l'asta dell'ago, possono apparire a causa delle riverberazioni acustiche all'interno del lume dell'ago, oscurando l'interpretazione dei tessuti sullo sfondo.

Per la tecnica "out-of-plane", il segmento dell'asta dell'ago che interseca il piano di imaging ecografico può essere interpretato come la punta dell'ago durante l'inserimento. La misinterpretazione della posizione della punta dell'ago può portare a complicazioni significative, come un ictus. Sono stati proposti vari metodi per migliorare la visibilità ecografica degli aghi metallici clinici. Uno di questi prevede l'uso di aghi ecogenici, che presentano superfici appositamente progettate con maggiore rugosità. Questa rugosità aumenta la dispersione degli ultrasuoni, migliorando la visibilità dell'ago anche a angoli di inserimento elevati. Tuttavia, questi aghi ecogenici sono spesso costosi e continuano a essere suscettibili ad artefatti di riflessione.

Di recente, è stata studiata una tecnica di tracciamento ultrasonico per localizzare la punta dell'ago con una sonda ecografica esterna. Due implementazioni tipiche comprendono la trasmissione di onde ultrasoniche dalla punta dell'ago, rilevate dalla sonda di imaging esterna, oppure la ricezione reciproca delle onde ultrasoniche dalla sonda, con un rilevatore US posizionato sulla punta dell'ago. Tuttavia, la visualizzazione dell'asta dell'ago rimane una sfida con questa tecnica, che è cruciale per la manipolazione precisa dell'ago, specialmente durante le inserzioni in angoli ripidi. Il gruppo di Emelianov è stato il primo a investigare la fattibilità dell'imaging fotoacustico (PA) per visualizzare gli aghi ipodermici metallici, utilizzando un sistema di imaging US Cortex e un laser Nd:YAG. In questo studio, campioni di tessuti porcinici sono stati illuminati dal laser, e le immagini longitudinali e trasversali degli aghi inseriti nei tessuti sono state catturate.

L'imaging fotoacustico ha dimostrato di offrire un miglior rapporto segnale-rumore (SNR) rispetto all'imaging ecografico, dove si osservava un artefatto di riverberazione dell'asta dell'ago. Inoltre, l'angolo di incidenza aveva un impatto minimo sulla visualizzazione dell'ago tramite PA, mentre l'ago diventava quasi invisibile con l'ecografia man mano che aumentava l'angolo di inserimento. Questo è stato osservato anche nelle immagini PA e US che mostrano la sezione trasversale dell'ago. Il potenziale dell'imaging PA per guidare diverse procedure interventistiche che richiedono il posizionamento dell'ago è stato successivamente studiato da numerosi gruppi di ricerca. In particolare, l'imaging PA è stato utilizzato per guidare la biopsia dei linfonodi sentinella (SLN), una procedura chirurgica minimamente invasiva standard utilizzata per la diagnosi del cancro al seno. Il tracciante indocianina verde (ICG) viene iniettato vicino al sito del tumore e viene assorbito dai linfonodi sentinella circostanti. Un ago viene inserito percutaneamente sotto guida di imaging per prelevare campioni dai linfonodi, con l'imaging PA che consente una visualizzazione migliorata della posizione dell'ago rispetto all'ecografia.

Inoltre, l'imaging PA è stato esteso da 2D a 3D per la biopsia dei linfonodi sentinella, con un aumento della risoluzione spaziale che consente una guida più precisa dell'ago. L'imaging PA ha anche dimostrato di essere utile per guidare la consegna di cellule staminali nel midollo spinale, un procedimento che richiede una precisa posizione dell'ago. Le cellule staminali sono state etichettate con agenti di contrasto esogeni, come le nanospheres d'oro plasmonico (AuNS), per un tracciamento distintivo. L'imaging PA ha offerto una visualizzazione migliorata sia dell'ago che della distribuzione delle cellule nel midollo spinale.

L'evoluzione delle tecniche di imaging ecografico e fotoacustico per il tracciamento degli aghi sta quindi aprendo nuove possibilità per la precisione in diverse procedure interventistiche. L'approccio fotoacustico, grazie alla sua capacità di superare le limitazioni dell'ecografia tradizionale, sta mostrando potenziale non solo in contesti chirurgici ma anche in altre applicazioni cliniche, come la somministrazione di farmaci e la terapia cellulare. Queste tecniche sono destinate a rivoluzionare la guida intraoperatoria, aumentando la sicurezza e l'efficacia delle procedure minimamente invasive.

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