La diagnostica a ultrasuoni potrebbe presto diventare più semplice, veloce ed economica grazie a una nuova tecnologia sviluppata dall’IMDEA Materials Institute. I ricercatori hanno realizzato un sistema capace di ricostruire un’immagine completa utilizzando un solo sensore fisso e un unico segnale acquisito in un singolo istante, eliminando la necessità di ricorrere ai tradizionali array di trasduttori o a lunghe scansioni. Il risultato, pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials, apre prospettive interessanti sia per la medicina sia per numerosi settori industriali.
Come funziona il nuovo metodo di imaging a ultrasuoni
A differenza delle tecniche convenzionali, che richiedono molteplici trasduttori oppure un singolo sensore che deve essere spostato e utilizzato per effettuare misurazioni ripetute, il nuovo sistema concentra tutte le informazioni necessarie in un’unica acquisizione.
Il funzionamento inizia con l’emissione di un impulso a ultrasuoni a banda larga verso l’oggetto da analizzare. Le onde acustiche riflesse, che contengono informazioni sulla forma dell’oggetto, attraversano poi un particolare mezzo disordinato a basso costo.
Negli esperimenti questo materiale era costituito da un foglio di agar contenente sfere d’acciaio distribuite casualmente, che svolgono il ruolo di codificatore fisico. La struttura irregolare del materiale fa sì che ogni frequenza del segnale percorra un tragitto leggermente diverso, generando una sorta di “impronta digitale” spettrale estremamente complessa. Sebbene incomprensibile all’occhio umano, questa firma contiene tutte le informazioni necessarie per ricostruire l’immagine originale.
Il ruolo dell’intelligenza artificiale nella ricostruzione
L’elemento chiave della tecnologia è rappresentato dall’intelligenza artificiale, che interviene nella fase di decodifica del segnale. I ricercatori hanno addestrato una rete neurale affinché imparasse a interpretare la particolare impronta spettrale prodotta dal materiale disordinato.
Una volta completato l’addestramento, il sistema è in grado di ricostruire l’immagine in poche decine di microsecondi, trasformando il segnale acustico ricevuto in una rappresentazione accurata dell’oggetto osservato.
Durante i test, la tecnologia ha ricostruito con elevata fedeltà immagini di cifre scritte a mano incise su piastre metalliche, raggiungendo un indice di similarità strutturale fino al 98,7% rispetto agli originali. Secondo il responsabile della ricerca Johan Christensen, il materiale impiegato permette di trasferire tutte le informazioni spaziali nel dominio delle frequenze, lasciando poi all’AI il compito di leggerle quasi istantaneamente. In questo modo si riducono in maniera significativa complessità hardware, dimensioni e costi dell’intero sistema.
Meno complessità e costi ridotti rispetto ai sistemi tradizionali
Uno dei principali vantaggi del nuovo approccio consiste proprio nella semplificazione dell’hardware. Le tecniche di imaging acustico oggi più diffuse richiedono infatti apparecchiature complesse, costituite da numerosi sensori oppure da sistemi di scansione che devono acquisire dati in tempi successivi.
La soluzione sviluppata dall’IMDEA Materials Institute elimina questo compromesso. L’utilizzo di un solo sensore fisso riduce il numero dei componenti necessari, mentre il mezzo disordinato svolge la funzione di codificare automaticamente tutte le informazioni spaziali. L’elaborazione viene poi affidata alla rete neurale, che produce il risultato praticamente in tempo reale.
Questa architettura potrebbe favorire lo sviluppo di dispositivi estremamente compatti, più semplici da realizzare e molto meno costosi rispetto agli attuali sistemi di imaging a ultrasuoni.
Le possibili applicazioni in medicina e nell’industria
Le prospettive di utilizzo della tecnologia sono numerose. In ambito sanitario potrebbe consentire la realizzazione di strumenti capaci di visualizzare organi in movimento, come il cuore durante il battito, utilizzando apparecchiature decisamente più semplici rispetto a quelle oggi disponibili.
Anche il settore industriale potrebbe beneficiare del nuovo sistema attraverso ispezioni non distruttive dei materiali, controlli di qualità più rapidi e strumenti più economici da impiegare sulle linee produttive.
I ricercatori indicano inoltre possibili applicazioni nel rilevamento di oggetti sott’acqua, evidenziando come il principio sviluppato sia di carattere universale. Secondo il team, il meccanismo potrà essere esteso anche all’imaging tridimensionale e ad altre tipologie di onde, ampliando ulteriormente il campo di utilizzo della tecnologia.
Fonte: Techxplore
