Open-UST: Uma Nova Abordagem para Imagens de Ultrassom

O câncer de mama é uma parada séria de saúde e detectá-lo cedo pode salvar vidas. Os mamografias tradicionais podem perder alguns cânceres, especialmente em mulheres com tecido mamário denso. Isso pode levar a tratamentos desnecessários para pessoas saudáveis. Um novo método chamado Tomografia por Ultrassom (UST) ajuda a medir as propriedades 3D do tecido mamário, enviando ondas de ultrassom de diferentes ângulos e capturando os resultados. Embora a UST mostre promessas, ainda precisa melhorar a rapidez com que as imagens são feitas.

Atualmente, as máquinas de UST não estão amplamente disponíveis e as personalizadas são caras. Isso dificulta para os pesquisadores testarem novas maneiras de fazer medições. Tornando o equipamento UST mais acessível e adaptável, pode ajudar a acelerar o desenvolvimento de técnicas de imagem mais rápidas e precisas.

#O que é open-UST?

open-UST é um novo sistema de código aberto para criar dispositivos de imagem por ultrassom. Foi feito para ser barato e fácil de montar, assim mais pessoas podem trabalhar com UST. O sistema inclui um anel especial de 256 sensores que coletam dados enviando e recebendo ondas de ultrassom. Tudo isso pode ser feito em casa por cerca de £2000, usando tecnologias de fabricação rápida.

Essa invenção é importante porque permite que pesquisadores criem e testem novas configurações de ultrassom sem precisar de equipamentos comerciais caros. Inclui todos os designs, instruções e materiais necessários para construir o sistema.

#A Necessidade de Imagens Mais Rápidas

Na saúde, especialmente nas triagens de câncer de mama, o tempo é crucial. Métodos de imagem mais rápidos podem levar a uma melhor detecção precoce do câncer de mama. Embora a UST tenha mostrado bons resultados, conseguir imagens utilizáveis rapidamente tem sido um desafio. Ter sistemas UST desenvolvidos internamente pode ajudar pesquisadores a testarem novos métodos de imagem sem os altos custos associados às tecnologias atuais.

#Fabricação com Impressão 3D

Uma das principais características do open-UST é que ele utiliza tecnologias de prototipagem rápida, como a impressão 3D. Isso torna possível fabricar hardware de ultrassom sem precisar de máquinas especializadas caras. Essa abordagem é econômica, permite mudanças e pode ser feita rapidamente, mas os usuários ainda precisam desenhar os componentes. É aí que fazer os designs de código aberto ajuda. Isso significa que os pesquisadores podem colaborar e compartilhar ideias, reduzindo o tempo inicial de design e facilitando para aqueles que não têm experiência em construir Transdutores.

#Contribuições de Código Aberto Existentes

A ideia de equipamentos de ultrassom de código aberto não é totalmente nova. Já existem designs disponíveis para vários componentes, como uma câmara de caracterização de microbolhas e um sistema de levitação acústica. Esses vêm com guias e arquivos que ajudam os usuários a acessar e construir os projetos. No entanto, até agora, não havia um guia abrangente de código aberto para fabricar um array de transdutores.

#Visão Geral do Design do open-UST

open-UST consiste em um array de anel de transdutores de 256 elementos otimizado para fácil fabricação caseira. Todos os arquivos necessários, incluindo modelos CAD, layouts de placas de circuito e arquivos de impressão 3D, são fornecidos, junto com um guia de montagem detalhado. O público-alvo inclui pesquisadores de UST que são habilidosos em técnicas de montagem manual, como soldagem e moldagem de materiais.

Os objetivos do open-UST são simples:

1. Facilitar a fabricação para os usuários.
2. Garantir que o design funcione bem para pesquisas de UST.
3. Manter as variações de desempenho entre os elementos do transdutor ao mínimo.

Para tornar o sistema acessível, é essencial que os materiais permaneçam com baixo custo e que apenas os recursos necessários sejam incluídos, acelerando o processo de montagem. Parte-se do pressuposto que os usuários não têm equipamentos especializados para fazer transdutores; em vez disso, eles só precisam de uma câmara de vácuo, uma impressora 3D adequada e ferramentas básicas.

#Desempenho e Detalhes do Design

Os anéis de transdutor são projetados para funcionar melhor em frequências acima de 350 kHz, permitindo compatibilidade com métodos avançados de reconstrução de imagem. O tamanho e a forma de cada transdutor influenciam como eles interagem com as ondas de ultrassom. Ao modelar a resposta durante a reconstrução da imagem, os pesquisadores podem melhorar bastante a qualidade da imagem.

A consistência de como cada elemento se comporta no array de transdutores é crucial. Se os sensores individuais tiverem respostas diferentes, isso complica a interpretação dos dados. Portanto, alcançar um baixo nível de variação entre os diferentes elementos é uma prioridade.

#Criando o Array

O array open-UST foi projetado para ser usado em cenários clínicos comuns e permite experimentação. Muitos sistemas UST existentes têm entre 40 e mais de 2000 sensores. Embora números mais altos forneçam melhor qualidade de imagem, também aumentam a complexidade e o custo de fabricação. O sistema open-UST, com 256 sensores, encontra um equilíbrio sendo gerenciável em termos de fabricação e coleta de dados.

O design usa configurações de anel 2D onde os dados de ultrassom podem ser coletados de forma eficaz sem as mecânicas intrincadas envolvidas em algumas outras montagens. Cada módulo no array é um array linear e juntos formam uma forma próxima a um anel.

#Escolhas de Materiais

Para os sensores, placas PZT individuais são usadas. Estas estão facilmente disponíveis e oferecem boas capacidades de detecção. O PZT 850 foi escolhido como material piezoelétrico porque funciona bem em aplicações de detecção. As dimensões dessas placas afetam a frequência em que podem operar e o tamanho e qualidade dos feixes de ultrassom resultantes.

Uma largura de 1 mm para as placas foi escolhida, pois oferece um desempenho aceitável para imagens de ultrassom enquanto é fácil de fabricar. Além disso, uma espessura de 1 mm é usada porque é comum e eficaz para aplicações de UST, garantindo que as frequências de ultrassom resultantes estejam dentro da faixa desejada.

#Pilha Acústica e Camadas de Apoio

A pilha acústica consiste em uma placa PZT com uma camada de apoio para melhorar o desempenho. Essa camada ajuda a reduzir o ruído e melhorar a resposta, deixando os dados mais limpos. A camada de apoio é feita de uma mistura composta de pós preenchimentos e polímeros, escolhidos por suas propriedades acústicas. A espessura dessa camada afeta como as ondas de ultrassom são transmitidas e recebidas.

Uma camada de correspondência especial também é incluída, projetada para otimizar o sinal transmitido do PZT para a água. Essa camada pode ser ajustada para aumentar certas frequências, proporcionando melhor clareza nas imagens resultantes.

#Custo e Tempo de Fabricação

Produzir todo o sistema custa cerca de £2000, o que é comparativamente baixo para esse tipo de tecnologia. Enquanto uma impressora 3D e uma câmara de vácuo poderiam ser obtidas por cerca de £5000, o custo de construção é mínimo comparado ao que sistemas comerciais exigiriam.

A fabricação leva cerca de quatro meses, com uma pessoa trabalhando em tempo integral. A maioria dos componentes foi feita em lotes, permitindo processos paralelos que minimizam o tempo total necessário.

#Desempenho Óptico e Acústico

Uma vez construídos, os anéis de transdutor passam por testes para medir seu desempenho acústico e comparar como os elementos individuais são consistentes. As medições são feitas sem ajustes e analisadas cuidadosamente.

A resposta ao impulso dos transdutores mostra como eles reagem quando um sinal é enviado através deles. É importante para os pesquisadores ter uma ideia clara de como cada elemento se comporta, já que variações podem impactar a qualidade da imagem. Cada elemento no array apresenta desempenho semelhante, indicando que as técnicas de fabricação usadas foram eficazes.

Testes de varredura de luz também ajudam a visualizar a saída de cada elemento. Esses testes garantem que as ondas de ultrassom emitidas pelos sensores sejam direcionadas e focadas corretamente. O objetivo é manter a forma do feixe consistente entre todos os elementos, o que, por sua vez, leva a uma melhor qualidade de imagem.

#Imagem com open-UST

Para demonstrar as capacidades do open-UST, um experimento com fantasma foi conduzido. Isso envolveu criar um modelo artificial de tecido mamário para testar o sistema. O objetivo era ver se o UST poderia identificar com precisão diferentes tipos de tecidos dentro do modelo.

As imagens reconstruídas mostraram que o sistema poderia diferenciar efetivamente entre várias propriedades do tecido. Algumas inclusões menores não foram tão bem capturadas, provavelmente devido a limitações no modelo de imagem usado. No entanto, os resultados ainda foram promissores, indicando que o open-UST tem um grande potencial para aplicações no mundo real.

#Resumo e Direções Futuras

O sistema open-UST representa um grande avanço em tornar a tomografia por ultrassom mais acessível. Oferece uma solução de baixo custo para criar dispositivos de imagem por ultrassom que podem ser personalizados para necessidades de pesquisa específicas. O aspecto de código aberto promove colaboração e inovação, permitindo que qualquer pessoa interessada contribua e modifique os designs.

Embora os processos de fabricação e montagem já sejam eficientes, ainda há espaço para melhorias. Trabalhos futuros podem focar em simplificar ainda mais a montagem, otimizar o design para aplicações mais específicas ou até desenvolver um banco de dados para materiais Acústicos para agilizar o processo de construção de transdutores personalizados.

No geral, o open-UST pode beneficiar tanto pesquisadores quanto clínicos, potencialmente melhorando as taxas de detecção de câncer de mama e, por fim, os resultados dos pacientes.