Progettazione di un dispositivo per il controllo di sorgenti ottiche pulsate nell'ambito dell'imaging fotoacustico = Design of a device to control pulsed optical sources in the field of photoacoustic imaging

Lo sviluppo industriale di dispositivi di diagnostica per immagini è un campo in continua crescita: la necessità primaria è quella di ottenere sistemi prestanti e versatili, in grado di produrre immagini di qualità. La diagnosi medica, infatti, si avvale quotidianamente di questi strumenti, che svolgono un compito di supporto insostituibile per il medico. L’imaging biomedicale sfrutta l’interazione di alcune particolari forme di energia con l’organismo vivente, ciò che viene captata è la risposta all’eccitazione prodotta da un dispositivo. Tecniche come risonanza magnetica (MRI) o tomografia computerizzata (TC) sfruttano rispettivamente campi magnetici indotti e radiazioni ionizzanti come forma di eccitazione del tessuto target. La MRI è una tecnica ad alta risoluzione spaziale, ma a bassa risoluzione temporale, la TC è dannosa per le cellule dell’organismo; inoltre entrambe sono costose. L’imaging fotoacustico (PAI) ha una collocazione intermedia tra due diverse forme di energia: la creazione dell’immagine si basa sulla ricezione di onde acustiche ricavate dall’eccitazione luminosa di un mezzo. In tal senso i vantaggi della tecnica fotoacustica sono, almeno nelle applicazioni base: mancanza di liquido di contrasto, invasività nulla, bassa energia, danno minimo per l’organismo e funzionamento economico. Le due forme di energia utilizzate permettono un’alta risoluzione spaziale e temporale, a differenza dell’imaging ecografico che possiede solo una buona risoluzione temporale. Nonostante per certi aspetti la tecnica fotoacustica sia vantaggiosa, l’impulso ottico ha bassa capacità di penetrazione a causa dell’effetto di scattering e assorbimento dei tessuti, pertanto è possibile ottenere un’immagine con una profondità di circa 4 cm in vivo. Le principali applicazioni commerciali sfruttano il laser come sorgente di eccitazione luminosa: l’alta potenza ottica emessa e la stretta collimazione del fascio luminoso rendono il dispositivo altamente pericoloso se usato senza le opportune precauzioni. L’acquisto e l’utilizzo di un dispositivo avente una sorgente pulsata a laser comporta un alto investimento economico ed ha dimensioni ingombranti. Queste due sono le motivazioni principali per cui, ultimamente, la ricerca si sta spostando verso una sorgente luminosa low-cost: sfruttando diodi LED e diodi laser. La sfida principale di tali sorgenti è quella di ottenere immagini a buona risoluzione pur avendo un fascio scarsamente collimato, sfruttandole si otterrebbero vantaggi nell’ingombro e nel costo costruttivo del dispositivo. La tesi proposta parte dai presupposti di economicizzazione e riduzione della grandezza di un dispositivo a sorgente laser, al fine di sviluppare un sistema basato su una sorgente luminosa pulsata (diodi LED) a basso costo, compatto e facilmente trasportabile. A seguito della fase di progettazione dell’elettronica accoppiata alla sorgente luminosa, sono state effettuate misurazioni elettriche e ottiche, in modo da valutare il corretto funzionamento del dispositivo implementato. Le azioni di ricezione acustica e validazione sono svolte dal sistema commerciale Verasonics UTA 260-S, programmato tramite ambiente MATLAB.