Lenti olografiche acustiche stampate in 3D per focalizzare le onde sonore ultrasuoniche nel cervello

LE LENTI OLOGRAFICHE STAMPATE IN 3D FOCALIZZANO GLI ULTRASUONI PER IMAGING CEREBRALE A BASSO COSTO

Ricercatori del Politecnico di Valencia in Spagna Lenti olografiche acustiche stampate in 3D per focalizzare le onde sonore ad ultrasuoni nel cervello. Eseguendo simulazioni al computer, il team ha trovato campi acustici con distribuzioni spaziali corrispondenti alle strutture del sistema nervoso centrale. Le lenti stampate in 3D sono progettate per produrre questi campi in grado di colpire efficacemente le regioni del cervello. Con queste lenti potrebbero essere possibili una migliore imaging cerebrale e persino la consegna di farmaci con ultrasuoni.

Fornendo una finestra non invasiva attraverso il cranio, l’imaging del cervello si occupa della struttura, della funzione e della farmacologia del sistema nervoso. È essenziale per la diagnosi di tumori, malattie metaboliche e lesioni. Le principali tecniche per mappare il cervello umano includono magnetoencefalografia , telecamere gamma , microscopia a foglio di luce ed elettrocorticografia .

Ampiamente usati nella diagnostica e nell’imaging dei tessuti molli, gli ultrasuoni non sono comunemente usati per l’imaging del cervello. Ciò è dovuto all’incapacità di controllare con precisione l’ecografia focalizzata nel sistema nervoso centrale. La rifrazione e l’attenuazione del cranio producono forti aberrazioni di fase, impedendo agli ultrasuoni di concentrarsi sui tessuti cerebrali. Un tentativo di aggirare questo problema consiste nell’utilizzare matrici graduali per controllare l’ecografia in arrivo per correggere l’aberrazione nella penetrazione del cranio. Tuttavia, questo metodo è costoso e ha anche una bassa risoluzione.

Le lenti acustiche olografiche stampate in 3D del Politecnico di Valencia sono realizzate in un blocco di plastica con varie dimensioni di voxel. Le onde ultrasoniche si diffondono in modo diverso in base al voxel utilizzato. L’interferenza di queste onde diffratte crea un ologramma focalizzato su un volume target 3D all’interno del cervello.

Lo studio è iniziato con la produzione di modelli computerizzati del cranio e del cervello. I ricercatori hanno estratto la geometria e le proprietà acustiche del cranio umano dalle scansioni CAT open source. Sono stati anche raccolti dati dalla risonanza magnetica per esaminare le informazioni sui tessuti molli dal cervello. Una replica realistica del cervello, nota anche come fantasma del cranio, è stata stampata in 3D secondo il modello del computer.

Dopo aver modellato il cranio e il cervello, il team ha quindi ideato un metodo per piegare le onde ultrasoniche all’interno del cranio. Sono stati utilizzati tre tipi di messa a fuoco olografica con crescente complessità: la prima focalizza l’onda su un punto, la seconda si traduce in un percorso d’onda curvo e la terza guida le onde per riempire l’intero ippocampo destro.

I ricercatori hanno quindi eseguito simulazioni al computer dei suddetti tipi di messa a fuoco olografica. Sono state modellate le onde sonore necessarie per creare un ologramma ad ultrasuoni all’interno del cervello. Ciò è stato fatto propagando indietro campi acustici virtuali nel cervello in un punto all’interno del cranio. Calcolando la fase e l’ampiezza delle onde sorgente necessarie, gli scienziati hanno quindi progettato lenti olografiche per produrre tali onde con proprietà specificate.

Le lenti olografiche sono state quindi stampate in 3D e testate con il fantasma del cranio. Rispetto alle simulazioni al computer, i dati ottenuti dai test con il fantasma del cranio erano in grande accordo con la teoria.

Generando modelli complessi, le lenti stampate in 3D hanno aiutato con successo a rifocalizzare il raggio acustico quando penetra nel cranio. Il raggio può quindi colpire efficacemente regioni del cervello come l’ippocampo, producendo quindi immagini più chiare.

Si spera che lo studio porti a una terapia a basso costo e all’imaging del sistema nervoso centrale. Le lenti olografiche possono anche essere in grado di alterare l’attività nervosa attraverso il rilascio mirato di onde ad ultrasuoni, consentendo la neuromodulazione attivata dagli ultrasuoni. Le lenti olografiche stampate in 3D potrebbero anche avere implicazioni per le nuove tecniche di consegna dei farmaci . In particolare, questo metodo ad ultrasuoni può potenzialmente aprire la barriera emato-encefalica, che in genere blocca i farmaci terapeutici nel trattamento dell’Alzheimer .

Gli ologrammi per focalizzare i campi ad ultrasuoni arbitrari attraverso il cranio sono pubblicati su Phys. Rev. Applicata 12 . È co-autore di Sergio Jiménez-Gambín, Noé Jiménez, José María Benlloch e Francisco Camarena.