Open-UST : Une nouvelle approche de l'imagerie par ultrasons

Le cancer du sein est un problème de santé sérieux, et le détecter tôt peut sauver des vies. Les mammographies traditionnelles peuvent rater certains cancers, surtout chez les femmes avec du tissu mammaire dense. Cela peut entraîner des traitements inutiles pour des personnes en bonne santé. Une nouvelle méthode appelée Tomographie par Ultrasons (UST) aide à mesurer les propriétés 3D du tissu mammaire en envoyant des ondes ultrasoniques sous différents angles et en capturant les résultats. Même si l'UST montre des promesses, il faut encore améliorer la rapidité de création des images.

Actuellement, les machines UST ne sont pas couramment disponibles et celles sur mesure coûtent cher. Ça complique la tâche des chercheurs pour tester de nouvelles façons de prendre des mesures. Rendre l'équipement UST plus accessible et adaptable pourrait accélérer le développement de techniques d'Imagerie plus rapides et précises.

#Qu'est-ce que open-UST ?

open-UST est un nouveau système open-source pour créer des appareils d'imagerie par ultrasons. Il est conçu pour être abordable et facile à assembler, afin que plus de gens puissent bosser avec l'UST. Le système inclut un anneau spécial de 256 capteurs qui collectent des données en envoyant et recevant des ondes ultrasoniques. Le tout peut être fabriqué en interne pour environ 2000 £, en utilisant des technologies de fabrication rapides.

Cette invention est importante car elle permet aux chercheurs de créer et tester de nouvelles configurations ultrasoniques sans avoir besoin d'équipements commerciaux coûteux. Elle comprend tous les designs nécessaires, instructions et matériaux requis pour construire le système.

#Le besoin d'images plus rapides

Dans le secteur de la santé, surtout pour les dépistages du cancer du sein, le temps est crucial. Des méthodes d'imagerie plus rapides pourraient permettre une meilleure détection précoce du cancer du sein. Bien que l'UST ait montré de bons résultats, obtenir des images exploitables rapidement reste un défi. Avoir des systèmes UST faits maison pourrait aider les chercheurs à tester de nouvelles méthodes d'imagerie sans les coûts élevés des technologies actuelles.

#Fabrication avec l'impression 3D

Une des principales caractéristiques d'open-UST est qu'il utilise des technologies de prototypage rapide comme l'impression 3D. Ça permet de fabriquer du matériel ultrasonique sans machines spécialisées coûteuses. Cette approche est économique, permet des modifications et peut être réalisée rapidement, mais les utilisateurs doivent encore concevoir les composants. C'est là que rendre les designs open-source devient utile. Cela signifie que les chercheurs peuvent collaborer et partager des idées, réduisant ainsi le temps de conception initial et simplifiant la tâche pour ceux qui n'ont pas d'expérience en construction de Transducteurs.

#Contributions open-source existantes

L'idée d'équipement ultrasonique open-source n'est pas complètement nouvelle. Il existe déjà des designs disponibles pour divers composants, comme une chambre de caractérisation de microbulles et un système de lévitation acoustique. Ceux-ci sont accompagnés de guides et de fichiers pour aider les utilisateurs à accéder et construire les projets. Cependant, il n'y avait pas de guide open-source complet pour fabriquer un réseau de transducteurs jusqu'à présent.

#Vue d'ensemble du design open-UST

open-UST se compose d'un anneau de transducteurs à 256 éléments optimisé pour une fabrication facile en interne. Tous les fichiers nécessaires, y compris les modèles CAD, les schémas de circuit et les fichiers d'impression 3D, sont fournis, ainsi qu'un guide d'assemblage détaillé. Le public cible comprend des chercheurs en UST qui maîtrisent les techniques d'assemblage manuel, comme le soudage et le moulage de matériaux.

Les objectifs d'open-UST sont simples :

1. Faciliter la fabrication pour les utilisateurs.
2. S'assurer que le design fonctionne bien pour la recherche UST.
3. Réduire au minimum les variations de performance entre les éléments du transducteur.

Pour rendre le système accessible, il est essentiel que les matériaux restent peu coûteux et que seules les fonctionnalités nécessaires soient incluses, accélérant ainsi le processus d'assemblage. On suppose que les utilisateurs n'ont pas d'équipement spécialisé pour fabriquer des transducteurs ; ils ont juste besoin d'une chambre à vide, d'une imprimante 3D adaptée et d'outils de base.

#Détails de performance et de design

Les anneaux de transducteurs sont conçus pour fonctionner au mieux à des fréquences supérieures à 350 kHz, permettant une compatibilité avec des méthodes avancées de reconstruction d'images. La taille et la forme de chaque transducteur influencent leur interaction avec les ondes ultrasoniques. En modélisant la réponse lors de la reconstruction d'images, les chercheurs peuvent considérablement améliorer la qualité des images.

La constance du comportement de chaque élément dans le réseau de transducteurs est cruciale. Si les capteurs individuels ont des réponses différentes, cela complique l'interprétation des données. Par conséquent, atteindre un faible niveau de variation entre les différents éléments est une priorité.

#Création du réseau

Le réseau open-UST est conçu pour être utilisé dans des scénarios cliniques courants et permet l'expérimentation. De nombreux systèmes UST existants ont entre 40 et plus de 2000 capteurs. Bien que des nombres plus élevés offrent une meilleure qualité d'image, cela augmente aussi la complexité et le coût de fabrication. Le système open-UST, avec 256 capteurs, trouve un équilibre entre la gestion de la fabrication et la collecte de données.

Le design utilise des configurations d'anneaux 2D où les données ultrasoniques peuvent être collectées efficacement sans la mécanique complexe impliquée dans d'autres configurations. Chaque module du réseau est un réseau linéaire, et ensemble ils forment une forme proche d'un anneau.

#Choix des matériaux

Pour les capteurs, des plaques PZT individuelles sont utilisées. Celles-ci sont facilement disponibles et offrent de bonnes capacités de détection. Le PZT 850 a été choisi comme matériau piézoélectrique car il fonctionne bien dans les applications de détection. Les dimensions de ces plaques affectent la fréquence à laquelle elles peuvent fonctionner ainsi que la taille et la qualité des faisceaux ultrasoniques résultants.

Une largeur de 1 mm pour les plaques a été choisie car elle offre une performance acceptable pour l'imagerie par ultrasons tout en étant facile à fabriquer. De plus, une épaisseur de 1 mm est utilisée car elle est courante et efficace pour les applications UST, garantissant que les fréquences ultrasoniques résultantes se situent dans la plage souhaitée.

#Empilement acoustique et couches de soutien

L'empilement acoustique se compose d'une plaque PZT avec une couche de soutien pour améliorer les performances. Cette couche aide à réduire le bruit et à renforcer la réponse, rendant les données plus claires. La couche de soutien est fabriquée à partir d'un mélange composite de poudres de remplissage et de polymères, choisis pour leurs propriétés Acoustiques. L'épaisseur de cette couche affecte la manière dont les ondes ultrasoniques sont transmises et reçues.

Une couche d'adaptation spéciale est également incluse, conçue pour optimiser le signal transmis de la PZT à l'eau. Cette couche peut être ajustée pour renforcer certaines fréquences, offrant une meilleure clarté dans les images résultantes.

#Coût et temps de fabrication

Produire l'ensemble du système coûte environ 2000 £, ce qui est relativement bas pour ce type de technologie. Bien qu'une imprimante 3D et une chambre à vide puissent être obtenues pour environ 5000 £, le coût de construction est minime comparé à ce que nécessiteraient les systèmes commerciaux.

La fabrication prend environ quatre mois, avec une personne travaillant à plein temps. La plupart des composants ont été fabriqués par lots, permettant des processus parallèles qui minimisent le temps global pris.

#Performance optique et acoustique

Une fois construit, les anneaux de transducteurs subissent des tests pour mesurer leur performance acoustique et comparer la constance des éléments individuels. Les mesures sont prises sans ajustements et sont soigneusement analysées.

La réponse impulsionnelle des transducteurs montre comment ils réagissent lorsqu'un signal leur est envoyé. C'est important pour les chercheurs d'avoir une idée claire de la performance de chaque élément, car les variations peuvent influencer la qualité de l'imagerie. Chaque élément du réseau affiche une performance similaire, indiquant que les techniques de fabrication utilisées ont été efficaces.

Des tests de balayage lumineux aident également à visualiser la sortie de chaque élément. Ces tests garantissent que les ondes ultrasoniques émises par les capteurs sont correctement dirigées et focalisées. L'objectif est de garder la forme du faisceau cohérente entre tous les éléments, ce qui entraîne une meilleure qualité d'imagerie.

#Imagerie avec open-UST

Pour démontrer les capacités d'open-UST, une expérience fantôme a été réalisée. Cela impliquait de créer un modèle artificiel de tissu mammaire pour tester le système. L'objectif était de voir si l'UST pouvait identifier avec précision différents types de tissus au sein du modèle.

Les images reconstruites ont montré que le système pouvait différencier efficacement les propriétés des tissus. Certaines inclusions plus petites n'ont pas été aussi bien captées, probablement en raison des limites du modèle d'imagerie utilisé. Cependant, les résultats étaient encore prometteurs, indiquant qu'open-UST a un potentiel considérable pour des applications réelles.

#Résumé et directions futures

Le système open-UST représente un pas en avant significatif pour rendre la tomographie par ultrasons plus accessible. Il offre une solution à bas coût pour créer des dispositifs d'imagerie par ultrasons qui peuvent être adaptés à des besoins de recherche spécifiques. L'aspect open-source favorise la collaboration et l'innovation en permettant à quiconque intéressé de contribuer et de modifier les designs.

Bien que les processus de fabrication et d'assemblage soient déjà efficaces, il y a encore de la place pour des améliorations. Les travaux futurs pourraient se concentrer sur la simplification de l'assemblage, l'optimisation du design pour des applications plus spécifiques, ou même le développement d'une base de données pour les matériaux acoustiques afin de rationaliser le processus de construction de transducteurs sur mesure.

Dans l'ensemble, open-UST devrait profiter aux chercheurs et aux cliniciens, améliorant potentiellement les taux de détection du cancer du sein et, en fin de compte, les résultats pour les patients.