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Diagnostica

Butterfly iQ: la tecnologia ad ultrasuoni su chip che rivoluzionerà la diagnostica per immagini

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Scritto da Elisa Minnetti

È possibile eseguire un’ecografia da casa, senza necessità di recarsi in ospedale, inviando i risultati direttamente al dottore per ottenere una diagnosi? Ed è possibile farlo da uno smartphone? A queste e ad altre domande ha dato risposta una startup di Guilford, nel Connecticut, la cui missione è quella di “democratizzare” gli ultrasuoni, rendendoli accessibili a chiunque sul pianeta.

La Butterfly Network, questo il nome della startup, ha sviluppato Butterfly iQ, un dispositivo ad ultrasuoni collegabile direttamente ad un iPhone, che promette di rivoluzionare la moderna diagnostica per immagini.

butterfly chip
Butterfly iQ
Applicazione di Butterfly IQ
Applicazione di Butterfly iQ

Come funziona Butterfly

Butterfly iQ si basa su una tecnologia completamente nuova rispetto agli ultrasuoni convenzionali.

La tecnologia tradizionalmente utilizzata per generare questo tipo di onde si basa sull’uso di cristalli piezoelettrici, particolari materiali in grado di deformarsi meccanicamente all’applicazione di un campo elettrico, riuscendo a generare onde acustiche a frequenze superiori al limite di ubilità umana (20 kHz – 200 MHz), dette appunto ultrasuoni. Questa tecnologia purtroppo presenta dei costi elevati: i tradizionali sistemi ad ultrasuoni, infatti, sono macchine ingombranti il cui costo può superare i $100000 negli Stati Uniti; ma anche alcuni dispositivi innovativi di ridotte dimensioni, come ad esempio il GE VScan, risultano piuttosto esosi, con costi non inferiori agli $8000.

Il sensore ad ultrasuoni sviluppato dalla Butterfly Network, invece, si basa una tecnologia a micromembrane, che sfrutta un effetto elettrostatico. L’elemento base di questa tecnologia è il CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer, fig. ), che è composto da una cavità, una membrana e due elettrodi, e che da un punto di vista elettrico costituisce un condensatore. Uno dei due elettrodi è fisso mentre l’altro è posizionato sulla membrana flessibile. Ad una deformazione della membrana corrisponde una variazione della distanza tra i due elettrodi, che si traduce in una variazione di capacità, mentre alla generazione di una tensione tra i due elettrodi corrisponde l’applicazione di una forza elettrostatica, che si traduce in una deformazione della membrana. Il primo fenomeno è utilizzato in ricezione per rilevare le vibrazioni provocate da un’onda ultrasonica incidente, misurando le variazioni delle capacità elettrica della struttura, mentre il secondo fenomeno è utilizzato in trasmissione, per generare ultrasuoni ad una determinata frequenza, applicando una tensione AC tra i due elettrodi.

Le micromembrane Butterfly sono collegate direttamente ad un circuito monolitico dedicato all’elaborazione del segnale acquisito. Nel dispositivo è stato inoltre incorporato un sistema di intelligenza artificiale per l’acquisizione e l’analisi delle immagini, allenato su un vasto dataset per distinguere un’immagine di buona qualità da una di scarsa qualità.

a) Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer (CMUT); b) Funzionamento in trasmissione; c) Funzionamento in ricezione.
a) Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer (CMUT); b) Funzionamento in trasmissione; c) Funzionamento in ricezione.

L’università di Stanford è tra le principali ad aver investito nella ricerca di questi trasduttori capacitivi, guidata dal professor Pierre Khuri-Yakub, che è stato scelto tra i membri del comitato scientifico consultivo del progetto Butterfly. La compagnia ha dichiarato che Butterfly iQ andrà sul mercato a partire dal 2018 ad un costo iniziale di $2000. La tecnologia presenta molti vantaggi, tra cui l’integrazione con i circuiti elettronici di supporto e la facilità di realizzazione di grandi array, necessari per la realizzazione del singolo trasduttore, costituito da tante piccole celle capacitive connesse in parallelo.

Rothberg, fondatore e CEO di Butterfly Network
Jonathan Rothberg, fondatore e CEO di Butterfly Network
Un importante vantaggio di Butterfly iQ rispetto ai sistemi tradizionali è la versatilità.

Ci sono 10000 micro-trasduttori su ogni sonda, e ciò dona al sensore un incredibile range dinamico. Possiamo farlo lavorare a 1 MHz se vogliamo andare in profondità, o 5 MHz se vogliamo rimanere in superficie.

Infine il sistema aiuta l’utilizzatore nel posizionamento della sonda sul petto del paziente, tramite alcune barre luminose di diverso colore che si accendono sullo schermo a seconda di come la si orienta. Ciò può essere di aiuto, ad esempio, nel caso di un esame ecocardiografico, durante il quale il sistema fornisce automaticamente anche alcuni parametri significativi come la frazione di eiezione cardiaca, che indica quanto bene il cuore pompi fuori sangue.

John Martin, capo dell’ufficio medico di Butterfly ha dichiarato che il dispositivo in futuro sarà disponibile a casa di tutti.

John Martin, Chief Medical Officer di Butterfly Network
John Martin, Chief Medical Officer di Butterfly Network

Se ad esempio un bambino dovesse accusare un dolore al braccio a seguito di una caduta, i genitori potrebbero eseguire un veloce esame ad ultrasuoni per valutare lo stato del braccio ed inviare, se necessario, l’immagine al loro pediatra, piuttosto che fare la fila al pronto soccorso. Quando il primo termometro, i primi bracciali per misurare la pressione sanguigna furono realizzati, erano disponibili solo in ospedale. Pensate ai defibrillatori: ora sono disponibili in tutti i negozi e gli uffici, e chiunque in strada ha la possibilità di utilizzarli per salvare il cuore di qualcun’altro.

La mission di Butterfly è proprio questa: rendere la diagnostica per immagini accessibile a tutti sul pianeta. E Butterfly iQ, con la sua economicità e la facilità di utilizzo, promette di essere la rivoluzione che noi tutti stiamo aspettando.

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Elisa Minnetti

Laureata triennale in Ingegneria Biomedica presso l’Università Politecnica delle Marche con specializzazione in Meccanica. Ora dottoranda in Ingegneria Industriale, appassionata da sempre di medicina e tecnologie innovative in ogni campo, amo scrivere e penso che condividere conoscenze sia una grande risorsa per innovare.

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