I sismologi utilizzano le informazioni fornite dalle onde sismiche per ricostruire la struttura del pianeta. Il team guidato dal professor Andreas Fichtner dell'ETH sta ora utilizzando queste conoscenze per l'imaging medico.
Sia l'imaging medico con gli ultrasuoni che la sismologia per visualizzare l'interno della Terra utilizzano la propagazione delle onde attraverso la materia. Quando le onde sismiche incontrano differenze di materiale all'interno della Terra, come ad esempio formazioni rocciose diverse, vengono riflesse e rifratte alle loro interfacce. Di conseguenza, la velocità delle onde cambia. Se ora i ricercatori misurano queste onde sulla superficie, possono trarre conclusioni sulla struttura dell'interno della Terra, sulla composizione delle rocce e sulle loro proprietà materiali, come densità, pressione o temperatura.
Con l'aiuto di algoritmi sofisticati e di supercalcolatori come il "Piz Daint" del CSCS, ricercatori come Andreas Fichtner, professore dell'Istituto di geofisica e capo del gruppo di sismologia e fisica delle onde, possono finalmente utilizzare questi dati d'onda per caratterizzare la struttura tridimensionale della Terra. Il parallelismo tra la propagazione degli ultrasuoni e delle onde sismiche e l'esperienza del team nel campo della fisica delle onde - come le informazioni trasportate dalle onde possono essere utilizzate e convertite in immagini - ha portato il professore dell'ETH e il suo gruppo a utilizzare la propagazione delle onde anche per gli ultrasuoni medici.
"A differenza degli ultrasuoni convenzionali, nelle nostre simulazioni utilizziamo l'intera informazione d'onda".Patrick Marty
Sei anni fa, il gruppo di ricerca ha sviluppato un metodo a ultrasuoni per la diagnosi precoce del cancro al seno in collaborazione con i medici. Ora il team sta studiando come esaminare il cervello con gli ultrasuoni. I ricercatori e i medici potrebbero un giorno utilizzare questo metodo per monitorare i pazienti colpiti da ictus o identificare i tumori cerebrali, ad esempio.
Esame delicato ed economico
Rispetto alla tomografia computerizzata (TC) o ai raggi X, gli ultrasuoni presentano un vantaggio decisivo: la procedura è praticamente innocua per il corpo. ? anche molto più economico rispetto alla risonanza magnetica (MRI), ad esempio. Inoltre, i dispositivi a ultrasuoni sono trasportabili e possono essere utilizzati anche in regioni remote. Il problema, tuttavia, è che finora gli ultrasuoni hanno funzionato bene solo nei tessuti molli. Tuttavia, è molto difficile far passare gli ultrasuoni attraverso strutture dure come il cranio, perché l'osso cranico riflette e attenua fortemente le onde.
Nella sua tesi di dottorato alla Fichtner, Patrick Marty, con il supporto di Christian B?hm, Senior Scientist del gruppo di sismologia e fisica delle onde, sta sviluppando un metodo per superare questa sfida. Questo metodo è destinato a fornire la base per la visualizzazione del cervello con gli ultrasuoni ad alta risoluzione.
Per simulare la propagazione delle onde attraverso il cervello, i ricercatori stanno sviluppando ulteriormente gli algoritmi e una griglia speciale i cui punti di coordinate devono essere calcolati. Il cuore di questo lavoro è un pacchetto software chiamato Salvus, sviluppato all'ETH di Zurigo con il supporto del CSCS. Salvus modella la propagazione dell'intero campo d'onda (forma d'onda completa) su scale spaziali che vanno da pochi millimetri a migliaia di chilometri. I sismologi dell'ETH utilizzano questo software per simulare le onde sismiche, ad esempio per esplorare l'interno della Terra o di Marte, nonché per l'imaging medico. Il pacchetto software utilizza il metodo degli elementi spettrali (SEM), particolarmente adatto per simulare la propagazione delle onde in mezzi con transizioni di materiali ad alto contrasto.
"A differenza degli ultrasuoni convenzionali, che utilizzano solo il tempo di arrivo delle onde, noi utilizziamo l'intera informazione dell'onda nelle nostre simulazioni", afferma Patrick Marty. Ciò significa che la forma dell'onda, la sua frequenza, la velocità e l'ampiezza in ogni punto della sua propagazione sono incluse nei calcoli".
Imparare dalla risonanza magnetica
I ricercatori utilizzano un'immagine di risonanza magnetica del cervello come immagine di riferimento per il loro modello. Sul supercomputer "Piz Daint" eseguono quindi calcoli con diversi parametri finché l'immagine simulata non corrisponde a quella della risonanza magnetica.
Con il loro metodo, ottengono un'immagine quantitativa invece dell'immagine in scala di grigi che si ottiene normalmente con gli ultrasuoni convenzionali e che non contiene ulteriori informazioni: Utilizzando le informazioni del campo d'onda completo, i ricercatori possono mappare correttamente le proprietà fisiche del mezzo - la velocità di propagazione delle onde ultrasonore attraverso il tessuto, la loro attenuazione, ma anche la densità del tessuto - in ogni punto del cervello. Ciò consente di determinare il tessuto e di distinguere, ad esempio, se si tratta di tessuto cerebrale o tumorale. Questo perché la densità, l'attenuazione o la velocità delle onde sonore dei diversi tipi di tessuto sono note grazie agli esperimenti di laboratorio.
I ricercatori sono convinti che questo metodo possa essere utilizzato per distinguere il tessuto sano da quello malato in modo delicato ed economico. In particolare, questo metodo potrebbe essere inserito in un computer integrato in un dispositivo a ultrasuoni sviluppato appositamente per questo scopo. Il computer calcola i segnali a ultrasuoni catturati dai sensori e il risultato è un'immagine tridimensionale del cervello esaminato. Tuttavia, i ricercatori sottolineano che c'è ancora molta strada da fare prima che la procedura possa essere utilizzata nella pratica clinica.
Una sfida particolare è rappresentata dalla complessa geometria del cranio a causa dell'occhio, del naso, dei seni mascellari ecc. che devono essere modellati con precisione nella simulazione senza far esplodere il tempo di calcolo. Per risolvere questo problema, Patrick Marty sta lavorando a metodi che utilizzano gli esaedri (piccoli elementi con sei superfici piane) per creare griglie numeriche individuali per qualsiasi forma del cranio. "Con questi piccoli cubi deformati, siamo da 100 a 1000 volte più veloci che se lavorassimo con i tetraedri", dice B?hm. "Il progetto trae grande vantaggio anche dai nuovi sviluppi delle mappe grafiche, come quelle che abbiamo in 'Piz Daint' e in futuro in 'Alps'. Sono ideali per questo metodo".
I ricercatori stanno collaborando con i medici dell'Ospedale universitario di Zurigo per sviluppare ulteriormente queste tecniche. Se nei prossimi tre anni di tesi di dottorato Patrick Marty riuscirà a sviluppare ulteriormente le procedure per la generazione di griglie e l'imaging cerebrale, questo metodo potrebbe essere applicato anche ad altre parti del corpo, come il ginocchio o il gomito. Si tratterebbe quindi di una base promettente per lo sviluppo di un dispositivo a ultrasuoni corrispondente.
Questo testo di Simone Ulmer è apparso in inglese sul sito web del lato esternoCSCS.
Letteratura di riferimento
Marty P, Boehm C, Paverd C, Rominger M, & Fichtner A (2022). Modellazione ad ultrasuoni a forma d'onda completa delle interazioni tra tessuto molle e osso utilizzando maglie esaedriche conformi. Imaging medico 2022: lato esternoFisica delle immagini mediche, 12031, 877-891.
Marty P, Boehm C, & Fichtner A (2021, 13 dicembre). lato esternoInversione della forma d'onda completa di strutture geologiche nel cervello umano. Riunione autunnale dell'AGU, New Orleans, LA.