Array ultrasonici estensibili per i tre

Nature Biomedical Engineering (2023) Citare questo articolo

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La valutazione seriale delle proprietà biomeccaniche dei tessuti può essere utilizzata per facilitare la diagnosi precoce e la gestione delle condizioni fisiopatologiche, per monitorare l'evoluzione delle lesioni e per valutare il progresso della riabilitazione. Tuttavia, i metodi attuali sono invasivi, possono essere utilizzati solo per misurazioni a breve termine o hanno una profondità di penetrazione o una risoluzione spaziale insufficienti. Qui descriviamo un array ad ultrasuoni estensibile per eseguire misurazioni elastografiche seriali non invasive di tessuti fino a 4 cm sotto la pelle con una risoluzione spaziale di 0,5 mm. La matrice si conforma alla pelle umana e si accoppia acusticamente con essa, consentendo un imaging elastografico accurato, che abbiamo convalidato tramite elastografia a risonanza magnetica. Abbiamo utilizzato il dispositivo per mappare le distribuzioni tridimensionali del modulo di Young dei tessuti ex vivo, per rilevare danni microstrutturali nei muscoli dei volontari prima della comparsa del dolore e per monitorare il processo di recupero dinamico delle lesioni muscolari durante le fisioterapie. La tecnologia può facilitare la diagnosi e il trattamento di malattie che colpiscono la biomeccanica dei tessuti.

Le proprietà meccaniche dei tessuti umani sono vitali per la struttura e il funzionamento dei sistemi fisiologici umani1. Le frequenti caratterizzazioni meccaniche di vari organi consentono una valutazione tempestiva della crescita dei tessuti, dello stato metabolico, della funzione immunologica e della regolazione ormonale1,2,3. Ancora più importante, le proprietà meccaniche dei tessuti malati possono spesso riflettere condizioni fisiopatologiche. Il monitoraggio di tali proprietà può fornire informazioni chiave sulla progressione della malattia e guidare l’intervento in modo tempestivo4,5. Ad esempio, è noto che la rigidità dei tumori è diversa da quella dei tessuti sani6. Inoltre, in alcuni tumori, possono verificarsi cambiamenti nella rigidità man mano che crescono in determinati stadi di sviluppo7 e questi cambiamenti possono avvenire rapidamente (Figura 1a supplementare e Nota supplementare 1)5,8,9,10,11,12. Sono necessarie ispezioni frequenti della rigidità di questi tumori per la valutazione dello stadio di crescita e l'orientamento terapeutico13. La caratterizzazione meccanica è fondamentale anche nella diagnosi e nella riabilitazione di molte malattie e lesioni muscoloscheletriche. Il monitoraggio dei moduli muscolari consente uno screening più proattivo dell'area a rischio (Figura 1b supplementare)14,15,16,17,18,19,20,21,22. È stato inoltre dimostrato che la sorveglianza dei moduli tissutali aiuta nella diagnosi precoce e nel monitoraggio delle malattie cardiovascolari23,24. Una tecnologia ideale dovrebbe fornire una mappatura non invasiva e tridimensionale (3D) dei tessuti profondi con informazioni precise su posizione, morfologia e meccanica25. Tuttavia, i metodi esistenti non sono in grado di soddisfare questa esigenza critica (Fig. 2–5 supplementari e Nota supplementare 2).

In questo articolo, per colmare questa lacuna tecnologica, riportiamo un array ultrasonico estensibile con progressi nell'ingegneria dei dispositivi e negli algoritmi di imaging (nota integrativa 3). Con i nuovi protocolli di microfabbricazione possiamo ottenere un eccellente accoppiamento elettromeccanico dei trasduttori. La strategia di imaging composto coerente consente calcoli accurati dello spostamento e quindi migliora il rapporto segnale-rumore elastografico (SNRe) e il rapporto contrasto-rumore (CNRe) nell'intera finestra ecografica26. Risolvendo un problema di elasticità inversa, possiamo derivare la distribuzione quantitativa del modulo, che rappresenta un balzo in avanti rispetto alla distribuzione qualitativa della deformazione ottenuta con l'elastografia quasi-statica convenzionale27 (Nota integrativa 4). Mostriamo l'affidabilità di questa tecnologia testando su vari modelli di fantasmi artificiali e campioni biologici ex vivo, con validazione quantitativa mediante elastografia a risonanza magnetica (MRE). Studi in vivo sull’indolenzimento muscolare a insorgenza ritardata mostrano che questa tecnologia può monitorare il progresso del recupero della lesione muscolare in modo seriale non invasivo, fornendo una guida terapeutica. Questi risultati suggeriscono un approccio conveniente ed efficace per monitorare le proprietà meccaniche dei tessuti, facilitando la diagnosi e il trattamento di molte malattie e sintomi.