Applicazioni avanzate per l’imaging Oct

ELETTROMEDICALE –

Le innovazioni tecnologiche aprono oggi la strada a nuove e avanzate applicazioni di imaging basate sulla tomografia a coerenza ottica.

Negli ultimi anni, la tecnologia su cui si basa la tomografia a coerenza ottica ha conosciuto miglioramenti significativi. Ai propri esordi, l'Oct (Optical coherence tomography) era lo strumento ideale per gli oculisti, che utilizzavano la tecnologia basata su luce "near infrared" per creare immagini ad altissima risoluzione delle aree più remote dell'occhio. Poiché il tessuto oculare è translucido, l'Oct può fornire immagini in grado di rivelare le patologie retiniche e può essere inoltre usata per diagnosticare e monitorare molte malattie retiniche quali il glaucoma e l'edema maculare. Oggi è emersa una moltitudine di applicazioni mediche per l'Oct, mentre altre nuove ed entusiasmanti sono in fase di sviluppo.

La tecnologia Oct
La tecnologia di imaging Oct è analoga agli ultrasuoni e utilizza la luce infrarossa vicina alla parte visibile (near infrared) riflessa per generare un'immagine, invece che il suono riflesso. La sorgente near infrared (di norma 800-1300 nanometri) è divisa in due percorsi. Un percorso viene applicato al tessuto campione, l'altro a uno specchio di riferimento. L'interferometria viene utilizzata per un controllo coerente dei riflessi diffusi dal tessuto campione con la luce proveniente dal braccio di riferimento mentre il tessuto del braccio campione viene scansionato. Gli algoritmi di elaborazione dei segnali vengono eseguiti sulla luce controllata coerentemente per ottenere una scansione assiale a risoluzione profonda. Uno stacking di queste scansioni produce immagini 2D o 3D del tessuto. L'Oct può di norma produrre un'immagine a una profondità di tessuto tra 3 e cinque millimetri con un'altissima risoluzione inferiore ai 10 micron. Un componente essenziale dei sistemi Oct, lo specchio di riferimento, nei sistemi di prima generazione era meccanico. Di conseguenza, le macchine erano lente e la risoluzione delle immagini limitata. I sistemi Oct di seconda generazione hanno sostituito lo specchio meccanico di riferimento con uno specchio fisso, impiegando uno spettrometro e potenti tecniche di elaborazione dei segnali come le trasformate di Fourier veloci, la commutazione di ampiezza e la compressione del registro per risolvere le informazioni di profondità embedded e combinarle con i dati della scansione laterale in tempo reale. Ciò consente una sensibile riduzione dei tempi di imaging con una maggiore risoluzione delle immagini.

Applicazioni biomediche dell'Oct
Oggi, la maggioranza dei sistemi medici Oct esistenti vengono utilizzati in oculistica, tuttavia, negli ultimi anni sono emerse alcune nuove e promettenti applicazioni. Ad esempio, otorinolaringoiatri e pediatri potrebbero rappresentare un nuovo gruppo di medici che adottano la tecnologia Oct come strumento diagnostico. Di norma, l'otoscopio viene impiegato dai medici per esaminare l'orecchio, il canale auricolare e la membrana timpanica per rilevare rossore indicante un'eventuale infezione batterica. L'Oct potrebbe aumentare la certezza della diagnosi creando immagini dell'epidermide superficiale e delle membrane sottocutanee per determinare l'eventuale presenza di batteri che causano infezione. In seguito alla somministrazione di alcune dosi di antibiotici, i sistemi Oct possono essere utilizzati per analizzare l'efficacia del trattamento. Se il bio-film infettivo è stato eliminato, il paziente può smettere di prendere gli antibiotici.
Altre applicazioni mediche emergenti per l'Oct includono i sistemi di diagnostica odontoiatrica e utilizzi interoperativi di questa tecnologia. I dentisti possono servirsi delle immagini Oct per l'individuazione precoce di cavità e alcuni disturbi gengivali, che potrebbero altrimenti sfuggire agli esami radiografici e visivi, al fine di implementare procedure preventive più efficaci.
Come tecnica interperativa, l'Oct può analizzare la presenza o l'assenza di cancro durante l'asportazione chirurgica di un tumore. Di norma, i chirurghi asportano il tessuto circostante il tumore nella speranza di eliminare tutte le cellule cancerose. Il tumore asportato assieme al tessuto marginale circostante viene quindi analizzato in un laboratorio patologico, richiedendo normalmente alcune settimane per la produzione di un rapporto scritto dopo l'intervento. Poiché le immagini Oct hanno una risoluzione identica all'istologia/patologia, un sistema Oct in sala operatoria potrebbe consentire al chirurgo durante l'intervento di determinare con precisione quanto tessuto asportare con un margine di sicurezza esatto. Ciò potrebbe eliminare la necessità di costosi e dolorosi interventi successivi per eliminare il tessuto canceroso residuo. La tecnologia Oct consente ai medici un'osservazione a livelli di risoluzione istologica in tempo reale, cosicché possono prendere decisioni migliori durante il primo intervento chirurgico di asportazione del tumore.
Presto saranno disponibili diverse altre applicazioni mediche per l'Oct. Ad esempio, l'Oct può essere impiegata in combinazione con la biopsia con ago per la rimozione di piccoli tumori allo stadio iniziale. Nelle pazienti affette da cancro al seno, l'Oct potrebbe guidare l'ago verso la posizione precisa del tumore con tecniche sia visive che di elaborazione "intelligente" dei segnali per identificare il tessuto sospetto, riducendo al minimo la natura intrusiva della procedura. Nei pazienti cardiovascolari, l'Oct potrebbe essere utilizzata con un minuscolo catetere per posizionare meglio uno stent o per controllare l'accumulo di placca. Tecniche avanzate di elaborazione dei segnali digitali non consentono solo una superiore qualità delle immagini, ma rendono inoltre possibile la classificazione dei tessuti in questo tipo di applicazioni.

L’evoluzione dell’Oct
Ai tempi delle prime applicazioni dell'Oct per l'imaging medicale, i sistemi erano basati su piattaforme di personal computer. Ciò è cambiato nei sistemi di seconda generazione e cambierà ancora nei sistemi di terza generazione, ora in fase di sviluppo. Alcuni produttori di sistemi Oct sono già passati, o lo faranno presto, a una piattaforma di elaborazione embedded basata su processori di segnali digitali single core o multicore invece dei processori generici utilizzati dai Pc. I Dsp offrono migliori prestazioni di elaborazione dei segnali per milliwatt di potenza rispetto ai metodi di computazione più tradizionali. Ciò comporta la possibilità di sviluppare algoritmi programmabili con risultati deterministici senza necessità di impiegare costose fonti di energia e dissipatori di calore. I system-on-chip basati sul Dsp possono consentire ai progettisti di ridurre le dimensioni del footprint di sistema e la potenza, permettendo a un potente processore di segnali di coesistere accanto a un processore di applicazioni di sistema circondato da adeguate interfacce per inserimento dati, memoria e archiviazione. Il passaggio a una piattaforma basata su Dsp riduce le dimensioni fisiche e i consumi energetici del sistema, rendendo i sistemi Oct portatili a batteria una possibilità praticabile nel prossimo futuro. Come gli ultrasuoni portatili, l'Oct portatile incoraggerà una diffusa adozione della tecnologia in un gran numero di cliniche e ambulatori medici. Inoltre, i sistemi Oct portatili possono diventare un efficace strumento diagnostico in loco per gli specialisti dei servizi medici e degli interventi di emergenza sulla scena di disastri naturali o di incidenti.

Applicazioni mediche future
La tendenza della tecnologia di imaging medico Oct di prossima generazione comprende l'implementazione di più potenti e versatili Dsp multicore per ottenere tempi di generazione immagini ridotti e una maggiore risoluzione. I miglioramenti agli algoritmi del software che elabora le immagini Oct sono in fase di sviluppo. Una tecnica chiamata Oct sensibile alla polarizzazione (PS-Oct) comprende la polarizzazione dei segnali luminosi negli algoritmi di elaborazione per ottenere immagini con un superiore contrasto visivo. Immagini ad alto contrasto possono rivelare anche le piccole cavità nei denti o minuscoli noduli e tumori.
Un'altra applicazione futura dell'Oct riguarda l'esame dei minuscoli vasi sanguigni nell'occhio, con l'ausilio di tecniche Doppler per seguire il flusso sanguigno e determinarne la velocità, come con gli ultrasuoni, ma con una maggiore risoluzione e quindi con la possibilità di diagnosticare precocemente il diabete e alcune malattie oculari. Un'architettura Dsp programmabile consente lo sviluppo e l'implementazione rapida di tali nuovi algoritmi, fornendo una piattaforma scalabile e deterministica per le applicazioni di elaborazione dei segnali.

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