Un gruppo di ricercatori della University of Southern California (USC) ha sviluppato bobine flessibili per risonanza magnetica che possono essere adattate alla forma del corpo del paziente e prodotte digitalmente in pochi minuti, con un costo dei materiali di circa 30 dollari per singolo elemento.
Il risultato affronta un problema particolarmente evidente nell’imaging pediatrico. Le bobine di ricezione utilizzate nei sistemi MRI commerciali vengono normalmente costruite in un numero limitato di forme e dimensioni. Una bobina progettata per il corpo di un adulto può quindi lasciare uno spazio considerevole quando viene utilizzata su un bambino o su una zona anatomica particolarmente piccola.
Questa distanza apparentemente modesta ha conseguenze importanti sulla qualità dell’immagine.
Le bobine MRI funzionano infatti come antenne che raccolgono i deboli segnali a radiofrequenza generati dai tessuti all’interno del campo magnetico. Più il sensore si trova vicino all’anatomia da osservare, maggiore può essere il rapporto segnale-rumore.
Il gruppo guidato da Yasser Khan e Krishna S. Nayak ha cercato quindi di sostituire le tradizionali strutture rigide con dispositivi sottili e flessibili che possano aderire direttamente alla superficie del corpo.
La ricerca, pubblicata su Nature Communications, dimostra che il concetto non produce soltanto sensori economici. Nelle prove di imaging dinamico del polso le bobine flessibili hanno ottenuto fino a circa quattro volte più contrasto e cinque volte maggiore nitidezza rispetto a una configurazione commerciale di riferimento.
Il lavoro rappresenta inoltre un esempio interessante di come la produzione additiva possa entrare nella strumentazione medicale non per costruire un impianto o una protesi, ma per personalizzare direttamente l’hardware utilizzato durante un esame diagnostico.
Il problema delle bobine MRI standard
La risonanza magnetica sfrutta un forte campo magnetico, impulsi a radiofrequenza e gradienti magnetici per generare immagini dettagliate dei tessuti del corpo.
Una parte fondamentale del sistema è costituita dalle RF receive coils, le bobine che ricevono il segnale emesso dai nuclei di idrogeno durante l’esame.
Per ottenere una buona qualità dell’immagine, la bobina deve trovarsi il più vicino possibile alla zona anatomica da esaminare.
Questo è relativamente semplice quando viene analizzata una struttura anatomica per la quale esiste una bobina commerciale dedicata.
Diventa più difficile quando il paziente ha dimensioni molto differenti da quelle previste dal produttore.
Il problema è particolarmente evidente nei neonati e nei bambini.
Il cuore di un neonato può avere dimensioni paragonabili a quelle di una noce, mentre molte apparecchiature MRI vengono progettate prevalentemente intorno alle dimensioni della popolazione adulta.
Una bobina troppo grande lascia spazio tra sensore e corpo.
Il segnale diminuisce.
La qualità dell’immagine può peggiorare.
E nel caso dei bambini il problema continua a cambiare perché il corpo cresce rapidamente.
Un dispositivo perfettamente adatto a una determinata età può non esserlo più pochi mesi o anni dopo.
Una bobina personalizzata potrebbe essere prodotta per ogni paziente
La soluzione sviluppata dalla University of Southern California modifica questo paradigma.
Invece di produrre poche geometrie standardizzate e cercare successivamente di adattarle ai pazienti, la bobina può partire da un progetto digitale.
Le dimensioni possono essere modificate al computer.
Il file viene quindi inviato al sistema di produzione e la nuova geometria viene realizzata rapidamente.
In prospettiva, una struttura sanitaria potrebbe quindi disporre di una biblioteca digitale di bobine oppure creare una configurazione specifica in funzione dell’anatomia da esaminare.
Per un bambino potrebbero essere prodotte dimensioni differenti durante la crescita.
Per un adulto potrebbe essere costruita una bobina specifica per una determinata articolazione.
Per applicazioni sperimentali potrebbero essere create geometrie che oggi sarebbe economicamente poco conveniente produrre attraverso i processi tradizionali.
È precisamente il tipo di produzione a basso volume e alta personalizzazione nel quale l’additive manufacturing offre uno dei suoi principali vantaggi.
Non si tratta di una normale stampa 3D FDM
L’espressione “bobina MRI stampata in 3D” deve però essere interpretata correttamente.
Il gruppo USC non utilizza una normale stampante a filamento per produrre integralmente l’antenna.
Una delle due tecniche sviluppate è un processo di Direct Ink Writing, nel quale un inchiostro conduttivo a base di argento viene depositato con precisione su un supporto flessibile.
I ricercatori utilizzano una piattaforma Voltera NOVA, sistema di deposizione digitale progettato anche per la produzione di circuiti ed elettronica stampata.
Il substrato è costituito da TPU, poliuretano termoplastico, un materiale elastico che permette al dispositivo di piegarsi e adattarsi alla superficie del corpo.
Le tracce conduttive vengono depositate seguendo una geometria definita digitalmente.
Il processo unisce quindi produzione additiva ed elettronica stampata.
Non viene costruita soltanto la forma esterna del dispositivo: viene depositato direttamente il percorso elettrico che costituirà l’elemento ricevente.
Inchiostro d’argento direttamente sul TPU
Il processo messo a punto dal gruppo di Yasser Khan utilizza un inchiostro contenente particelle d’argento.
La geometria della bobina viene progettata attraverso software CAD e successivamente esportata in formato Gerber, un formato ampiamente utilizzato nella produzione di circuiti elettronici.
Il TPU viene posizionato sulla piattaforma della stampante.
Il sistema deposita quindi l’inchiostro seguendo il percorso previsto dal progetto.
Nel lavoro pubblicato su Nature Communications, la deposizione viene effettuata con un’altezza di circa 150 micrometri e una velocità di 500 millimetri al minuto.
Dopo la stampa, il materiale viene sottoposto a un trattamento termico a circa 150 °C per 15 minuti.
Questa fase favorisce l’eliminazione del solvente e il consolidamento delle particelle d’argento, aumentando la conducibilità della traccia.
Successivamente viene applicato uno strato dielettrico trasparente spesso circa 50 micrometri, necessario per isolamento elettrico e protezione meccanica.
Otto minuti per un elemento del polso
Uno dei dati più interessanti riguarda il tempo necessario alla produzione.
Una bobina circolare del diametro di circa sei centimetri utilizzata per il polso viene stampata in circa otto minuti.
Un elemento rettangolare più grande da 15 × 20 centimetri, utilizzato nell’array cardiaco, richiede circa dieci minuti.
Per una configurazione a quattro elementi destinata al polso, il processo di fabbricazione delle parti conduttive richiede quindi complessivamente meno di 32 minuti.
Il costo dei materiali di consumo è di circa 30 dollari per elemento, quindi circa 120 dollari per l’array a quattro elementi.
Queste cifre non comprendono naturalmente stampante, strumenti di misura, preamplificatori, cablaggio ed elettronica necessaria per collegare la bobina allo scanner MRI.
Il confronto serve quindi a mostrare il basso costo della parte personalizzata, non a suggerire che un intero sistema MRI possa essere costruito per poche decine di dollari.
Una seconda tecnologia utilizza metallo liquido
Il gruppo di ricerca ha sviluppato anche un secondo percorso produttivo.
In questo caso il materiale conduttivo è basato sull’eutettico gallio-indio, EGaIn, un metallo liquido a temperatura ambiente.
Il vantaggio di un metallo liquido è evidente quando si vuole costruire un circuito flessibile: il materiale può modificare la propria forma insieme al substrato senza comportarsi come una normale traccia metallica rigida.
Il problema è ottenere contemporaneamente una buona conducibilità e caratteristiche adatte alla stampa.
I ricercatori hanno quindi aggiunto nanoparticelle di rame con dimensioni di circa 40-60 nanometri.
Sono state sperimentate formulazioni contenenti differenti percentuali di rame.
La composizione con circa 9% in peso di rame è risultata il compromesso migliore tra conducibilità, adesione, stampabilità e robustezza meccanica.
Questa formulazione viene depositata mediante screen printing su un substrato di PDMS.
L’utilizzo di due processi differenti è intenzionale.
La soluzione a base di argento sfrutta il Direct Ink Writing e offre un elevato livello di automazione e personalizzazione.
La variante a metallo liquido può invece essere prodotta mediante serigrafia, riducendo la necessità di possedere una piattaforma DIW dedicata.
Perché una bobina flessibile può vedere meglio
Il vantaggio non nasce principalmente da caratteristiche elettroniche superiori a quelle delle migliori bobine commerciali.
Nasce dal fatto che il sensore riesce a seguire l’anatomia.
Una bobina rigida può essere progettata con conduttori molto efficienti, ma se rimane a diversi centimetri dal corpo perde una parte del proprio vantaggio.
La bobina flessibile può invece appoggiarsi sulla superficie da esaminare.
Questa vicinanza aumenta la sensibilità locale.
La caratteristica diventa ancora più importante durante gli esami dinamici.
Se il paziente muove un’articolazione, una bobina rigida rimane nella propria posizione.
Una struttura flessibile può invece muoversi insieme al corpo mantenendo una distanza relativamente costante dalla zona osservata.
Il gruppo USC ha sfruttato questa proprietà per studiare il movimento del polso in tempo reale.
Fino a tre volte più segnale nelle immagini statiche
Le bobine sono state sperimentate su uno scanner a 0,55 Tesla.
Questi sistemi lavorano con un campo magnetico inferiore rispetto agli scanner clinici da 1,5 T e 3 T oggi molto diffusi.
I sistemi a campo relativamente basso presentano alcuni vantaggi potenziali, compresi costi e requisiti infrastrutturali inferiori, ma devono affrontare una difficoltà fondamentale: il segnale disponibile è inferiore.
Migliorare l’efficienza della bobina di ricezione diventa quindi particolarmente importante.
Negli esperimenti statici sul polso, le configurazioni flessibili hanno ottenuto un rapporto segnale-rumore in vivo circa due o tre volte superiore rispetto alla configurazione commerciale utilizzata come riferimento.
I ricercatori hanno acquisito immagini con risoluzione submillimetrica fino a circa 250 micrometri, rendendo chiaramente visibili legamenti carpali e spazi interossei.
Quattro volte più contrasto durante il movimento
La prova più significativa riguardava però l’imaging dinamico.
I volontari muovevano il polso mentre lo scanner acquisiva immagini in tempo reale.
Con una bobina tradizionale questa situazione è particolarmente impegnativa.
L’imaging dinamico richiede acquisizioni rapide e la velocità riduce inevitabilmente la quantità di segnale disponibile per ogni immagine.
La bobina flessibile mantiene invece la propria vicinanza all’articolazione mentre il polso si muove.
Nei tre soggetti utilizzati per questa parte dello studio, sia l’array a inchiostro d’argento sia quello a metallo liquido hanno mostrato miglioramenti importanti.
Il contrasto è risultato fino a circa quattro volte superiore.
La nitidezza delle strutture anatomiche è aumentata fino a circa cinque volte.
Una delle strutture osservate era lo spazio scafo-lunato, regione importante per valutare stabilità e possibili lesioni del polso.
Dall’ortopedia all’imaging cardiaco
Per capire se la tecnologia potesse essere applicata anche ad anatomie differenti, il gruppo della University of Southern California ha realizzato un secondo sistema destinato al cuore.
In questo caso è stato utilizzato un array composto da sette elementi flessibili a inchiostro d’argento.
Quattro elementi da circa 15 × 20 centimetri vengono posizionati sulla parte anteriore del torace.
Due vengono disposti lateralmente.
Un altro viene collocato posteriormente.
Questa configurazione crea una sorta di sistema avvolgente intorno alla regione cardiaca.
I ricercatori l’hanno utilizzato per acquisire sequenze cine MRI, cioè immagini che permettono di osservare il cuore durante il ciclo cardiaco.
Sono state analizzate viste standard a due camere, tre camere, quattro camere e asse corto.
Nel cuore la qualità è risultata comparabile a una bobina commerciale
Il risultato cardiaco è interessante proprio perché è meno spettacolare rispetto a quello ottenuto sul polso.
La bobina stampata non ha prodotto immagini quattro volte migliori.
Ha ottenuto una qualità comparabile a quella della configurazione commerciale.
È comunque un risultato significativo.
La bobina sperimentale è stata prodotta rapidamente con un processo digitale relativamente economico e può essere riposizionata liberamente.
La configurazione commerciale di riferimento utilizzava invece un array corporeo a sei canali sulla parte anteriore e sei elementi della bobina integrata nel lettino sul lato posteriore.
Il sistema stampato ha mostrato una visualizzazione comparabile dei bordi del miocardio, delle camere cardiache e del movimento durante il ciclo.
Questo suggerisce che la tecnologia possa essere utilizzata anche per dispositivi più grandi e geometrie differenti da quella iniziale del polso.
Le prove sono state effettuate su adulti, non su bambini
È importante distinguere il risultato scientifico dall’applicazione prospettata dal comunicato USC.
L’imaging pediatrico rappresenta una delle motivazioni più forti per sviluppare bobine facilmente personalizzabili, ma lo studio pubblicato su Nature Communications non è una sperimentazione clinica su bambini.
Gli esperimenti sono stati effettuati su volontari adulti sani.
Cinque soggetti hanno partecipato alle prove statiche del polso.
Tre alle acquisizioni dinamiche.
Due soggetti adulti sono stati utilizzati per la valutazione cardiaca.
La possibilità di utilizzare bobine specificamente progettate per neonati e bambini è quindi una prospettiva derivata dalle caratteristiche della tecnologia, non un’applicazione pediatrica già validata clinicamente.
Questo passaggio sarà importante per gli sviluppi successivi.
Un materiale che può seguire il corpo
Il supporto in TPU utilizzato dal gruppo di ricerca è sufficientemente flessibile da adattarsi alla superficie anatomica.
Secondo la documentazione della University of Southern California, la struttura può sostenere deformazioni nell’ordine del 5-10%, permettendo alla bobina di seguire il corpo durante determinate tipologie di movimento.
La geometria delle tracce conduttive è stata progettata specificamente per mantenere prestazioni elettriche sufficientemente stabili durante la flessione.
I ricercatori hanno sperimentato differenti configurazioni serpentinate e hanno misurato la variazione della resistenza durante cicli ripetuti di piegatura.
Alla fine è stata selezionata una struttura con otto tracce serpentinate, successivamente protette attraverso lo strato dielettrico.
Non basta quindi stampare una linea d’argento su un foglio elastico.
Il comportamento elettromagnetico e quello meccanico devono essere progettati insieme.
Personalizzare una bobina significa anche ricalibrarla
La produzione di geometrie differenti introduce infatti un problema meno evidente.
Una bobina MRI è un circuito a radiofrequenza.
Modificarne forma e dimensioni modifica anche le sue caratteristiche elettriche.
Ogni nuovo elemento deve quindi essere correttamente regolato e verificato.
Il gruppo USC utilizza normalmente analizzatori di rete vettoriali, strumenti impiegati per caratterizzare circuiti RF.
Ma i ricercatori hanno sperimentato anche una soluzione molto più economica.
Un NanoVNA da circa 150 dollari ha prodotto misure sufficientemente vicine a quelle ottenute con apparecchiature professionali Keysight da poter essere utilizzato per alcune operazioni di verifica e regolazione.
Questo dettaglio rafforza l’obiettivo generale del progetto: ridurre la barriera necessaria per sviluppare hardware MRI personalizzato.
La personalizzazione può diventare software
Uno dei vantaggi più interessanti del processo deriva dalla natura digitale dei file.
Le bobine vengono progettate attraverso geometrie che possono essere modificate rapidamente.
Il formato Gerber permette di mantenere un flusso di lavoro simile a quello utilizzato nell’elettronica.
In futuro questo potrebbe consentire di automatizzare almeno una parte del processo.
Si potrebbe partire dalle dimensioni anatomiche.
Un software potrebbe adattare automaticamente la geometria.
Il progetto potrebbe essere verificato dal punto di vista elettrico.
La bobina potrebbe essere stampata e successivamente regolata.
La produzione individualizzata diventerebbe così molto più vicina a un normale workflow digitale che alla progettazione manuale di una nuova apparecchiatura medicale.
Una possibile applicazione nei sistemi MRI a basso campo
Il lavoro assume un significato particolare perché viene svolto a 0,55 T.
Negli ultimi anni è cresciuto l’interesse per sistemi MRI a campo inferiore rispetto agli scanner tradizionali.
Campi magnetici meno intensi possono ridurre alcuni costi infrastrutturali e ampliare le possibilità di installazione, anche se esistono compromessi importanti in termini di prestazioni.
Il segnale inferiore è uno di questi.
Una bobina conformabile che aumenta la sensibilità locale può contribuire a compensare almeno una parte di questa limitazione.
È il motivo per cui il risultato USC potrebbe avere implicazioni anche al di fuori dell’imaging pediatrico.
Ospedali più piccoli, strutture in aree con risorse limitate o centri di ricerca potrebbero trarre vantaggio dalla possibilità di produrre internamente hardware specifico senza dover acquistare ogni configurazione da un fornitore specializzato.
Questa possibilità rimane comunque da dimostrare su scala clinica e operativa.
La fabbricazione distribuita dell’hardware medicale
Il progetto introduce infatti un modello interessante per la produzione dei dispositivi.
Una bobina commerciale viene normalmente progettata e prodotta da un’azienda specializzata, certificata e successivamente distribuita alle strutture sanitarie.
Una bobina definita digitalmente potrebbe teoricamente seguire un percorso differente.
Il progetto viene validato centralmente.
Il file viene inviato a una struttura autorizzata.
Il componente viene prodotto localmente.
Viene effettuato il controllo elettrico.
Il dispositivo viene quindi utilizzato sullo scanner.
È una forma di distributed manufacturing applicata all’hardware diagnostico.
In campo medicale, tuttavia, questo modello pone requisiti molto più severi rispetto alla normale stampa di una parte industriale.
Ripetibilità, sicurezza elettrica, compatibilità con il sistema MRI, materiali, pulizia, tracciabilità e controllo delle prestazioni dovrebbero essere gestiti attraverso procedure appropriate.
Le aziende produttrici di MRI non diventano quindi superflue
La possibilità di produrre una bobina da poche decine di dollari non significa che l’hardware commerciale sia inutilmente costoso.
Le apparecchiature utilizzate clinicamente devono attraversare progettazione, validazione, certificazione, controllo della qualità e assistenza.
Un prodotto commercializzato deve inoltre funzionare in condizioni molto più ampie rispetto a un dispositivo sperimentale utilizzato sotto il controllo di un laboratorio universitario.
Il valore della ricerca USC consiste invece nel dimostrare che una parte dell’hardware può essere fabbricata con processi molto più semplici di quelli convenzionali.
Se questi processi verranno successivamente standardizzati e validati, potrebbero integrare l’offerta delle aziende del settore e rendere economicamente sostenibili configurazioni oggi troppo specialistiche.
University of Southern California e Yonsei University nel progetto
Il lavoro è stato sviluppato principalmente alla University of Southern California, attraverso competenze che uniscono ingegneria elettronica, biomedical engineering e ricerca sull’imaging.
Gli autori sono Félix Muñoz, Ye Tian, Ted Lê, Jaehwan Jang, Helmut Stark, Mohammad Shafiqul Islam, Min-gu Kim, Krishna S. Nayak e Yasser Khan.
Alla ricerca hanno partecipato anche Yonsei University in Corea del Sud e Stark Contrast LLC in Germania.
Alla USC, il gruppo di Yasser Khan lavora sull’elettronica flessibile e indossabile, mentre il Dynamic Imaging Science Center, diretto da Krishna S. Nayak, sviluppa tecniche MRI dedicate soprattutto all’imaging dinamico.
L’incontro tra queste due competenze è centrale per il progetto.
Una bobina estremamente flessibile avrebbe poco valore se non riuscisse a garantire le prestazioni elettromagnetiche richieste dalla MRI.
Una bobina RF efficiente ma completamente rigida non potrebbe invece offrire la conformabilità necessaria.
Il dispositivo nasce precisamente dall’integrazione dei due problemi.
La stampa 3D entra nell’elettronica medicale personalizzata
La ricerca mostra anche una direzione più generale dell’additive manufacturing.
Quando si parla di stampa 3D medicale si pensa spesso a protesi, guide chirurgiche, modelli anatomici e impianti.
In questo caso viene personalizzato uno strumento utilizzato per osservare il paziente.
È una differenza importante.
La stessa logica potrebbe estendersi in futuro a sensori, elettrodi, dispositivi indossabili e altre forme di elettronica medicale.
La produzione additiva permette infatti di collegare la geometria del circuito alla geometria del corpo.
Il dispositivo non deve più essere obbligatoriamente piatto o rigido.
Può essere progettato direttamente intorno all’anatomia.
Un possibile vantaggio per l’imaging pediatrico
È facile comprendere perché i ricercatori indichino i bambini tra i possibili beneficiari.
Una struttura sanitaria non può realisticamente mantenere un inventario enorme di bobine specifiche per ogni età, peso e anatomia.
Un sistema di produzione rapida può seguire una logica differente.
Le dimensioni vengono definite quando servono.
La bobina viene prodotta.
Se il paziente cresce, il file viene modificato e viene realizzata una nuova versione.
Il costo relativamente basso dei materiali rende questo modello almeno tecnicamente plausibile.
Inoltre, una bobina più aderente potrebbe consentire di migliorare il segnale senza aumentare il campo magnetico dello scanner.
Nel caso del cuore pediatrico, dove anatomia piccola e movimento rapido costituiscono due difficoltà contemporaneamente, questo potrebbe essere particolarmente interessante.
Ma proprio perché l’applicazione riguarda pazienti vulnerabili, saranno necessari studi specifici prima di trasformare il prototipo in una soluzione clinica pediatrica.
Dalla prova universitaria alla pratica clinica resta ancora un percorso significativo
La ricerca pubblicata su Nature Communications dimostra la fattibilità tecnica.
Non dimostra ancora che un ospedale possa iniziare a stampare bobine personalizzate per tutti i pazienti.
Serviranno ulteriori valutazioni.
Il numero di volontari dello studio è limitato.
Occorrerà verificare la riproducibilità su più scanner.
Andranno valutate anatomie differenti.
Dovrà essere studiata la durata dei dispositivi dopo ripetute deformazioni e procedure di pulizia.
Saranno necessari protocolli standardizzati per verificare ogni bobina prima dell’impiego.
E, soprattutto per eventuali applicazioni cliniche individualizzate, sarà necessario definire il quadro regolatorio e di qualità.
La possibilità di produrre velocemente un dispositivo non elimina infatti la necessità di dimostrare che ogni dispositivo prodotto funzioni in modo sicuro e prevedibile.
Il risultato più importante è il cambio del modello produttivo
Le prestazioni ottenute sul polso sono il dato immediatamente più evidente: fino a quattro volte maggiore contrasto, cinque volte maggiore nitidezza e un significativo aumento del rapporto segnale-rumore.
Ma il risultato forse più interessante riguarda il metodo.
La University of Southern California ha mostrato che una parte dell’hardware MRI può essere trasformata da componente rigido, costoso e standardizzato a dispositivo digitale, flessibile e rapidamente personalizzabile.
Il progetto può essere modificato.
La bobina può essere prodotta in meno di dieci minuti per elemento.
Il materiale necessario costa nell’ordine delle decine di dollari.
La forma può seguire il corpo.
E lo stesso principio è stato dimostrato sia su una piccola articolazione sia sul torace.
Non significa che le bobine MRI tradizionali saranno sostituite a breve.
Significa però che la produzione additiva e l’elettronica stampata stanno iniziando a rendere tecnicamente possibile un modello differente: quello nel quale una parte dell’apparecchiatura diagnostica viene adattata al paziente invece di chiedere al paziente di adattarsi all’apparecchiatura.
Per la risonanza magnetica pediatrica, l’imaging dinamico e i sistemi a basso campo potrebbe essere proprio questa capacità di personalizzazione, più ancora del basso costo, l’aspetto destinato ad avere maggiore interesse.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
