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Obiettivi
Il progetto proposto si pone come obiettivo il progresso delle tecniche ad ultrasuoni e lo sviluppo di metodi di imaging innovativi, promuovendo l'uso di sistemi diricerca aperti e riconfigurabili congiuntamente a sonde ad alta tecnologia. Il progetto sarà suddiviso in 3 Work-Packages (WPs) e porterà allo sviluppo di:
WP1) Una piattaforma di ricerca ad ultrasuoni allo stato dell'arte
Sarà progettata e realizzata una nuova piattaforma ecografica avanzata e riconfigurabile (ULA-OP 256), in grado di controllare direttamente fino a 256 canali intrasmissione e ricezione (TX-RX) connessi a sonde lineari o matriciali, realizzate su silicio con tecnologia Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers(cMUT) o con materiale piezoelettrico. ULA-OP 256 supporterà modalità programmabili funzionanti in tempo reale. Saranno utilizzabili strategie e algoritmi innovativi di beamforming (ad esempio, multi-beam, parallel beam, plane-wave imaging, ecc). Sarà possibile eccitare il trasduttore con forme d'onda arbitrarie attraverso amplificatori di potenza linearispecificamente progettati in questo progetto. Sarà garantito l'accesso ai dati grezzi in qualsiasi punto della catena di ricezione, compresi, in particolare, i dati acquisiti da ciascun elemento della sonda. Pur garantendo un'elevata capacità computazionale e di memorizzazione, grazie all'uso estensivo di elettronica di fascia alta, particolare attenzione sarà prestata all'integrazione dell'elettronica in un numero limitato di schede, al fine di non compromettere la trasportabilità del sistema verso i laboratori di ricerca e centri clinici nazionali o internazionali. Lo sviluppo di questo nuovo sistema sarà basato sull'esperienza acquisita con l'attuale versione di ULA-OP 64, una piattaforma aperta a 64 canali che, pur caratterizzata da funzionalità più limitate, è attualmente utilizzata per il test di molti metodi innovativi ad ultrasuoni da parte di una rete internazionale di 13 laboratori.
WP2) Sonde innovative a matrice cMUT
Le sonde realizzate in tecnologia cMUT rappresentano una delle innovazioni più interessanti del settore. La tecnica di fabbricazione, tipica dei sistemi micro-electro-mechanical system (MEMS), assicura una naturale integrazione con l'elettronica sopra il substrato e non impone significative limitazioni alle possibili geometrie del trasduttore e quindi fa delle cMUT la soluzione ideale per la realizzazione di innovative sonde a matrice 2D. Basandosi sull'esperienza acquisita nello sviluppo di matrici cMUT che sono state utilizzate con successo su macchine commerciali e, più recentemente, anche con ULA-OP 64, sarà realizzata una sonda matriciale a 256 elementi per essere usata con ULA-OP 256. L'attuale processo di fabbricazione sarà ottimizzato. Nonostante il numero di elementi sia sufficiente solo per scansioni di piccoli volumi, la nuova sonda fornirà un'indicazione delle prestazioni ottenibili con matrici più ampie.
WP3) Metodi ed applicazioni innovative
Grazie alla struttura aperta di ULA-OP 64 (nei primi due anni) e di ULA-OP 256 con la sonda matriciale cMUT (nel terzo anno), verranno sviluppati e validati sperimentalmente nuovi metodi pilota volti ad affrontare problemi medici rilevanti (come la caratterizzazione e la gestione dell'arterosclerosi carotidea preclinica ed avanzata e la diagnosi differenziale dei noduli tiroidei). In particolare saranno effettuati studi emodinamici non invasivi per la stima della funzionalità endoteliale (Flow Mediated Dilation), la stima dell'accoppiamento artero-ventricolare (Wave separation analysis), la valutazione delle proprietà meccaniche locali delle pareti carotidee e la misura del volume e della vulnerabilità delle placche. Saranno sviluppati metodi specifici di elaborazione dell'immagine basati su GPU per la caratterizzazione non invasiva del tessuto di noduli benigni e maligni. Si sfrutterà la flessibilità della piattaforma aperta per una promettente applicazione non medica con vari potenziali benefici, ovvero l'ottimizzazione delle tecniche di beamforming per il miglioramento delle immagini ad US 3D al fine del riconoscimento biometrico della mano umana.
Tutti i risultati di questo progetto, inclusi la piattaforma aperta e le sonde matriciali cMUT, saranno disponibili per l'intera comunità scientifica, seguendo lo stesso approccio già impiegato con successo per ULA-OP 64. Un obiettivo collaterale del progetto sarà quindi l'espansione ed il rafforzamento di una rete di laboratori Europei impegnati nella ricerca nel campo degli US. Questo predisporrà le condizioni per l'avvio di nuove collaborazioni e per un fruttuoso scambio di conoscenze tra le parti coinvolte, inclusi numerosi ricercatori giovani ed entusiasti.
Il progetto è spiccatamente multidisciplinare, combina diverse tecnologie chiave, e punta a migliorare la salute ed il benessere con sistemi ad US avanzati e dal costo contenuto, nel pieno e totale accordo con le priorità di Horizon 2020.
