I sismologi utilizzano le informazioni fornite dalle onde sismiche per ricostruire la struttura del pianeta. Il team guidato dal professore dell’ETH Andreas Fichtner sta ora utilizzando queste conoscenze per l’imaging medico.
Sia l’imaging medico con gli ultrasuoni che la sismologia per l’imaging dell’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 i ricercatori misurano queste onde in 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 computer ad alte prestazioni 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. I parallelismi con la propagazione degli ultrasuoni e delle onde sismiche, nonché il know-how del team nel campo della fisica delle onde - come le informazioni trasportate dalle onde possono essere utilizzate e convertite in immagini - hanno portato il professore dell’ETH e il suo gruppo a utilizzare la propagazione delle onde anche per gli ultrasuoni medici.
Sei anni fa, ad esempio, il gruppo di ricerca ha sviluppato un metodo a ultrasuoni per la diagnosi precoce del cancro al seno in collaborazione con i medici. Il team sta ora studiando come esaminare il cervello con gli ultrasuoni. Con questo metodo, i ricercatori e i medici potrebbero un giorno monitorare i pazienti colpiti da ictus o identificare i tumori cerebrali, ad esempio.
Rispetto alla tomografia computerizzata (TC) o ai raggi X, gli ultrasuoni presentano un vantaggio decisivo: la procedura è quasi innocua per l’organismo. È anche molto più economica della 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 sui tessuti molli. Tuttavia, è molto difficile far passare gli ultrasuoni attraverso strutture dure come la calotta cranica, perché l’osso del cranio riflette e smorza fortemente le onde.
Patrick Marty sta ora sviluppando un metodo per superare questa sfida nella sua tesi di dottorato presso Fichtner con il supporto di Christian Böhm, Senior Scientist del gruppo di sismologia e fisica delle onde. Questo metodo è destinato a fornire la base per l’imaging ad alta risoluzione del cervello con gli ultrasuoni.
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 progetto è un pacchetto software chiamato Salvus, sviluppato dal Politecnico 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, e 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, nelle nostre simulazioni utilizziamo l’intera informazione delle onde", spiega Patrick Marty. Ciò significa che nei calcoli confluiscono la forma dell’onda, la sua frequenza, velocità e ampiezza in ogni punto della sua propagazione.
Per il loro modello, i ricercatori utilizzano un’immagine di risonanza magnetica del cervello come immagine di riferimento. 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 di un’immagine in scala di grigi comune agli ultrasuoni convenzionali, 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 una massa cerebrale o di un tessuto tumorale. Questo perché conosciamo la densità, l’attenuazione o la velocità delle onde sonore dei diversi tipi di tessuto grazie a esperimenti di laboratorio.
I ricercatori sono convinti che questo metodo possa essere utilizzato per distinguere i tessuti sani da quelli malati in modo delicato ed economico. In particolare, questo metodo potrebbe essere alimentato da un computer integrato in un dispositivo a ultrasuoni sviluppato appositamente per questo scopo. Il computer calcola i segnali ecografici registrati 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 introdotta nella pratica clinica.
Una sfida particolare è rappresentata dalla complessa geometria del cranio, dovuta alle cavità degli occhi, del naso, della mascella ecc. che devono essere modellate con precisione nella simulazione senza far esplodere il tempo di calcolo. Per risolvere questo problema, Patrick Marty sta lavorando a metodi che creano griglie numeriche individuali per forme di cranio arbitrarie a partire da esaedri (piccoli elementi con sei facce piane). "Con questi cubetti deformati, siamo da 100 a 1000 volte più veloci che se lavorassimo con i tetraedri", dice Böhm. "Inoltre, il progetto trae grande vantaggio dai nuovi sviluppi delle schede grafiche, come quelle che abbiamo nel -Piz Daint- e in futuro nelle -Alpi-. Sono ideali per questo metodo".
I ricercatori stanno collaborando con i medici dell’Ospedale Universitario di Zurigo per sviluppare ulteriormente queste tecniche. Se Patrick Marty riuscirà a sviluppare ulteriormente le procedure di grigliatura e imaging del cervello nei prossimi tre anni di dottorato, questo metodo potrebbe essere applicato anche ad altre parti del corpo, come il ginocchio o il gomito. Questa sarebbe 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 CSCS.
Riferimento alla letteratura
Marty P, Boehm C, Paverd C, Rominger M e Fichtner A (2022). Modellazione ecografica a forma d’onda completa delle interazioni tra tessuto molle e osso utilizzando maglie esaedriche conformi. Imaging medico 2022: fisica dell’imaging medico, 12031, 877’891 .
Marty P, Boehm C e Fichtner A (2021, 13 dicembre). Inversione della forma d’onda completa di strutture geologiche nel cervello umano. Riunione autunnale dell’AGU, New Orleans, LA.
