Joshua Broder stava usando un ricevitore Wii per battere una pallina da ping-pong avanti e indietro quando l'idea ha colpito. Medico di emergenza presso il Duke University Medical Center, usa gli ultrasuoni per capire cosa sta succedendo all'interno del corpo di un paziente e per curare ferite e malattie. Ma l'immagine che ottiene, sebbene abbastanza veloce da operare in tempo reale, è bidimensionale e difficile da analizzare.
"Il controller in mano è davvero una cosa economica", ha pensato. "Perché costosi dispositivi medici non usano quel tipo di tecnologia a basso costo?"
Con l'aiuto degli ingegneri di Duke e Stanford, Broder 3D ha stampato un corpo per una bacchetta ad ultrasuoni destinata a contenere accelerometri e giroscopi simili a quelli che si trovano nei telefoni o nei Wiimote. Questi piccoli dispositivi, che sono diventati onnipresenti ed economici grazie alla rivoluzione dello smartphone, lavorano insieme per determinare l'angolazione, la posizione e l'orientamento del telefono, in modo da poter giocare, mantenere lo schermo in posizione verticale e usare i gesti. Attaccato alla bacchetta dell'ultrasuono, che emette e riceve l'ecografia come un radar, gli stessi sensori tracciano la sua posizione precisa. Quindi, man mano che le immagini vengono acquisite, il software utilizza tali informazioni per riunirle tutte in un file tridimensionale. L'output, pur non avvicinandosi alla qualità dell'immagine di una risonanza magnetica o di una TAC, è molto più facile da capire rispetto a un'immagine ecografica 2D, che può apparire sgranata e confusa.
Le macchine ad ultrasuoni su cui sta lavorando Broder sono diverse da quelle che i medici usano per immaginare feti non ancora nati. Mentre quelle macchine a dimensioni di carrello forniscono immagini 3D, costano centinaia di migliaia di dollari e non sono estremamente portatili. Ciò che Broder descrive è un piccolo allegato stampato in 3D per una macchina ad ultrasuoni 2D da 25.000 $ per laptop.
L'ecografia point-of-care, in cui i medici usano gli ultrasuoni durante un esame fisico per informare ulteriormente le cure, sta diventando più comune - un mercato che P&S Market Research prevede di crescere del 7 percento all'anno fino al 2025 - ma rimane ancora una risorsa sottoutilizzata, afferma Chris Fox, direttore degli ultrasuoni didattici dell'Università della California-Irvine. Insegna tecniche di ultrasuoni ai medici attraverso un'ampia varietà di specialità, dal pronto soccorso alla medicina interna, come acquisire e leggere immagini ad ultrasuoni. "La qualità delle cure migliora semplicemente quando puoi guardare attraverso la pelle del paziente gli organi di cui ti preoccupi, proprio lì nel punto di cura, e non dover aspettare che un altro test torni", afferma Fox.
Una vista ad ultrasuoni nell'addome può dire ad un medico se il paziente sta sperimentando un'ostruzione intestinale, un calcoli biliari o un rene bloccato, per esempio. La mancanza di respiro può essere attribuita a polmonite, liquido nel torace o fluido intorno al cuore. In questi modi, i medici possono utilizzare gli ultrasuoni per determinare se un paziente deve essere inviato per ulteriori immagini o meno. E spesso usano gli ultrasuoni per guidare il posizionamento dell'ago nella chirurgia laparoscopica e altre procedure che richiedono il posizionamento preciso degli attrezzi, perché possono mostrare un'immagine in tempo reale dell'ago che entra nel tessuto.
Ma è qui che l'ecografia 2D diventa difficile; non si vede gran parte del tessuto ed è difficile differenziare vascolarizzazione, nervi, muscoli e ossa. “Tutto quello che stiamo vedendo è una fetta, e dobbiamo decidere adesso, vedremo questo in un piano longitudinale o trasversale? È confuso dover impegnarsi con uno di quei due aerei ", afferma Fox. Una vista trasversale mostrerebbe l'ago che si avvicina allo spettatore, e una vista longitudinale mostrerebbe l'ago che entra dal lato, ma in questi piani bidimensionali è molto difficile determinare la profondità, e quindi se l'ago è posizionato correttamente. "L'ecografia tridimensionale è molto più facile da interpretare che eliminerebbe davvero questo livello di insicurezza, penso che molti dottori abbiano, quando si tratta di provare ad imparare l'ecografia."
Più semplicemente, l'ecografia 2D è difficile da usare. "È difficile per le persone che non hanno mai fatto ultrasuoni prima di imparare a scattare foto e interpretarle", afferma Broder. "Vogliamo che questa sia una tecnologia così intuitiva che molti diversi medici potrebbero usarla immediatamente senza quasi nessuna formazione."
Presentato al forum di ricerca dell'American College of Emergency Physicians, Broder ha descritto quella che vede come una funzione primaria della tecnologia: l'imaging del cervello nei bambini piccoli. I bambini di età inferiore ai due anni hanno i crani molli e gli ultrasuoni possono vedere direttamente e aiutare a diagnosticare l'idrocefalo, dove il liquido cerebrospinale provoca pressione nel cervello. Lo usava per registrare un'immagine del cervello di un bambino di 7 mesi, mentre il bambino sedeva in pace sulle ginocchia di sua madre. Non richiedeva radiazioni, come una TAC, e il bambino non doveva essere immobile o sedato, come una risonanza magnetica. Disegnarono semplicemente la bacchetta sulla testa del ragazzo, con un movimento pittorico. In dieci secondi fu fatto.
Il software open source chiamato 3D Slicer rende il risultato sullo schermo con tre assi e un dispositivo di scorrimento che consente ai medici di aprire l'immagine e visualizzare una sezione trasversale. Tecnicamente, è una pila di immagini 2D - fino a 1.000 di esse - disposte una accanto all'altra, ma il software può anche stimare il volume di funzionalità al loro interno, il che è particolarmente utile nella diagnosi dei tumori.
"È solo un set di dati molto più dinamico rispetto a quando si scatta una foto", afferma Broder. “Pensa all'analogia di una fotografia sulla tua fotocamera. Una volta scattata la foto, puoi giocare con essa, ma se non ti è piaciuta l'angolazione da cui hai scattato la foto, non puoi risolverla ... quando hai un set di dati tridimensionale, ho davvero molto controllo su quali domande vuoi porre e su come rispondi. "
Anche le macchine ad ultrasuoni più costose non offrono la precisione dell'imaging TC o MRI, né possono immaginare un intero corpo, ma non è questo il punto, afferma Broder. "Vogliamo allineare i costi", afferma. “Soffriamo nella medicina occidentale facendo molte cose forse con un grado di accuratezza o precisione maggiore di quello di cui abbiamo bisogno, e questo porta a costi elevati. Quindi quello che vogliamo fare è esattamente ciò di cui il paziente ha bisogno: fornire il livello di dettaglio richiesto per la migliore assistenza. "
Poiché gli ultrasuoni nei punti di cura usano picchi, il team di Broder non è l'unico a cercare di migliorare le macchine. Clear Guide ONE, realizzato dai medici di Johns Hopkins, utilizza anche un attacco a bacchetta, ma utilizza un sistema visivo per tracciare l'inserimento dell'ago, sebbene sia limitato a tale applicazione. E, mentre offre solo ultrasuoni bidimensionali, un dispositivo chiamato Clarius si accoppia in modalità wireless a uno smartphone per eludere completamente il computer e abbassare il prezzo sotto i $ 10.000.
Le dimensioni ridotte e il basso costo del dispositivo Broder lo rendono utile nelle aree di tutto il mondo in cui è impossibile o meno conveniente utilizzare le macchine più grandi. GE ha accettato, assegnando a Broder $ 200.000 nella sua inaugurale Challenge of Ultrasound Research Challenge. Allo stato attuale, il dispositivo è attualmente in fase di sperimentazione clinica e Broder e i suoi collaboratori detengono un brevetto internazionale su di esso. In futuro, Broder immagina di associare il dispositivo a un elettrocardiogramma per ottenere immagini in tempo reale dei battiti del cuore. Se i dati dell'ECG sono abbinati alle singole immagini riprese dall'ecografia, è possibile ordinare le immagini in base a quando si sono verificate nel ciclo cardiaco. Questa immagine “4D” potrebbe fornire immagini migliori del cuore, poiché compensa il movimento del cuore stesso e la respirazione.
"Possiamo fare molte delle stesse cose che possono fare le costose macchine 3D, ma a un costo molto più basso", afferma Broder. "Siamo proprio in questo momento incredibile in cui le tecnologie informatiche hanno davvero facilitato ciò che abbiamo fatto."
