Gli scienziati creano un'antenna sensibile per monitorare il flusso sanguigno nei piccoli capillari

Le antenne sono necessarie non solo per trasmettere immagini televisive, ma anche per monitorare il flusso sanguigno attraverso i vasi. Gli scienziati russi dell'Istituto di Fisica Applicata di Nižnij Novgorod dell'Accademia Russa delle Scienze hanno creato una nuova antenna sferica che ha permesso di osservare il movimento del sangue nei vasi – dalle grandi arterie ai più piccoli capillari – con un'elevata risoluzione spaziale e temporale.

Lo studio del flusso sanguigno che circola nei vasi di diverso diametro, soprattutto nei capillari più piccoli, è molto importante per la diagnosi precoce e il trattamento delle malattie cardiovascolari, oncologiche e neurodegenerative.

Tuttavia, i metodi di imaging esistenti, come l'ecografia, la TC e la risonanza magnetica, non forniscono la qualità diagnostica necessaria. Ad esempio, alcuni di essi non offrono la risoluzione spaziale e temporale richiesta. Altri metodi, secondo gli scienziati, richiedono un intervento invasivo, come l'angiografia, un metodo di esame radiografico dei vasi sanguigni in cui un mezzo di contrasto viene iniettato nel sistema vascolare per visualizzarlo.

Secondo gli scienziati, i medici incontrano particolari difficoltà quando è necessario

osservazione simultanea di grandi vasi e microcapillari in tempo reale, senza alterare la fisiologia dei tessuti.

L'obiettivo dei fisici dell'IAP RAS, così come dei loro colleghi provenienti da Svizzera, Cina, Spagna e Germania, era trovare un modo per visualizzare il sistema vascolare senza interferire con il corpo e con il massimo dettaglio.

È noto che la tomografia optoacustica (OAT) offre un'elevata risoluzione, paragonabile ai metodi ottici, ma che consente di penetrare i tessuti a una profondità maggiore. Si tratta di un metodo di imaging medico che combina tecnologie ottiche e ultrasoniche. La procedura prevede l'irradiazione del tessuto con brevi impulsi laser, che causano un'espansione termica, generando onde ultrasoniche. Queste onde vengono rilevate da speciali antenne e, sulla base di queste, vengono create immagini, veri e propri "filmati" del flusso sanguigno nel corpo in tempo reale.

Utilizzando diverse lunghezze d'onda ottiche, questo approccio potrebbe essere utilizzato per ottenere immagini video del flusso sanguigno in piccoli vasi, nonché informazioni funzionali, come la saturazione di ossigeno nei tessuti. Tuttavia, fino a poco tempo fa, questo era ostacolato dalla limitata sensibilità e dalla limitata gamma di frequenza delle antenne riceventi.

Come riportato a MK dalla Fondazione Russa per la Scienza, gli scienziati sono riusciti a superare questa barriera sviluppando la prima antenna multi-elemento, altamente sensibile e a banda larga al mondo, basata su un polimero piezoelettrico: il fluoruro di polivinilidene (PVDF). Rispetto ai tradizionali materiali piezoceramici, la sua sensibilità ai segnali optoacustici è più che decuplicata.

Gli autori hanno creato una sfera con il sottilissimo film di PVDF, sulla cui superficie hanno formato 512 elementi piezoelettrici (convertitori di energia elettrica in energia meccanica) con una superficie inferiore a 1 millimetro quadrato ciascuno. Oggi, questo rappresenta un record mondiale per la densità di impacchettamento delle antenne a ultrasuoni.

Esperimenti su tessuti umani hanno dimostrato che per la prima volta la tecnologia ci ha permesso di vedere simultaneamente vasi sanguigni di grandi dimensioni, fino a 10 millimetri di diametro, fino ai più piccoli capillari, paragonabili alle dimensioni di un globulo rosso (circa 10 micrometri)! Gli scienziati sono anche riusciti a realizzare la prima visualizzazione transcranica (attraverso il cranio) al mondo del cervello di topo ad alta risoluzione, senza interventi invasivi.

Secondo Pavel Subochev, responsabile del laboratorio di ecografia e diagnostica ottico-acustica dell'IAP RAS, questa tecnologia apre nuove possibilità non solo per la medicina pratica, ma anche per la biologia fondamentale. "Ora possiamo osservare l'ossigenazione e la microcircolazione nei minimi dettagli, scoprendo modelli precedentemente sconosciuti", afferma lo scienziato. In futuro, i ricercatori prevedono di ampliare il campo di applicazione di questa tecnologia OAT per studiare i meccanismi dei processi neurodegenerativi nel cervello.

Come ci hanno spiegato esperti indipendenti, questo lavoro, ovviamente, non è degno di un "Premio Nobel", ma è considerato dagli esperti uno sviluppo innovativo e di altissima qualità. Gli autori hanno migliorato significativamente il metodo di tomografia optoacustica, proponendo un nuovo design della lente, sostituendo la tradizionale lente piezoelettrica con un polimero. "È stato implementato un metodo unico per incollare una pellicola a un emisfero, una lente, un'impresa mai vista prima al mondo", affermano gli esperti. "Un risultato eccellente". Gli svantaggi della tecnologia, sottolineano, sono la complessità della produzione di componenti elettronici a 512 canali, che può complicare l'implementazione clinica, e il fatto che le pellicole per l'antenna devono essere acquistate all'estero, dato che in Russia non ce ne sono ancora.