Microsfera magnetica per il monitoraggio non invasivo del flusso sanguigno

L’imaging medico non invasivo del flusso sanguigno attualmente si basa sulla mappatura del transito, all’interno dei vasi, di un mezzo di contrasto iniettato per via endovenosa. Questo metodo diagnostico ha, tuttavia, l’inconveniente che la parte anteriore del bolo iniettato si allarga fino a raggiungere il tessuto di interesse, rendendo difficile la valutazione dei parametri del flusso quantitativo. Un recente studio, condotto da un team di ricercatori del PTB, in Germania, ha dimostrato la possibilità di eseguire un tracciamento magnetico 3D ad alta risoluzione (millimetro / millisecondo), utilizzando una singola microsfera magnetica, che, muovendosi nei vasi sanguigni, consente una quantificazione locale del flusso.

Uno studio che vuole superare i limiti delle tecniche esistenti

Con oltre 17 milioni di morti all’anno in tutto il mondo, le malattie cardiovascolari e, in particolare, le perturbazioni emodinamiche che provocano lo sviluppo di stenosi arteriosa alla base delle più comuni cardiopatie, oggi costituiscono la prima causa di mortalità a livello globale. Per la classificazione precoce di tali malfunzionamenti, è richiesta una misurazione accurata e non invasiva del flusso all’interno dei vasi sanguigni. Attualmente sono disponibili diverse modalità di imaging per la diagnosi di disturbi emodinamici, quali l’angiografia coronarica e periferica ,tomografia computerizzata, risonanza magnetica, ma sfortunatamente soffrono di limitazioni che ostacolano la loro applicazione come strumento di screening nella routine clinica, oltre all’esposizione a radiazioni ionizzanti  o alla somministrazione in bolo di agenti di contrasto che possono causare effetti collaterali indesiderati  e dare origine a incertezze nella quantificazione del flusso.

Un team di scienziati e ricercatori del Physikalisch-Technische Bundesanstalt ( PTB) istituto nazionale di metrologia della Repubblica federale di Germania, in collaborazione con i laboratori di ricerca Philips GmbH Innovative Technologies di Amburgo, ha messo a punto un nuovo approccio denominato “Magnetic Microsphere Tracking” (MMT) che consente di aggirare questi ostacoli, grazie ad una  una singola microsfera magnetica, la cui velocità traslazionale e rotazionale consente di quantificare in modo non invasivo il profilo del flusso sanguigno locale.

Principio di funzionamento MMT

Il principio MMT  si basa su una microsfera magnetica (MM) con momento di dipolo permanente che si sposta all’interno di un vaso sanguigno a flusso laminare con profilo quadratico.La microsfera magnetica subisce la forza di resistenza generata dal flusso e la forza di taglio, che ruota la MM a causa delle variazioni di velocità locali attraverso la sezione trasversale della sfera. Questi movimenti della MM causano delle variazioni del suo campo di dipolo magnetico che vengono rilevate da remoto da una serie di dispositivi superconduttori di interferenza quantistica (SQUID). Il rilevatore SQUID misura, dunque, un segnale sinusoidale nel tempo a una frequenza unica determinata dalle forze di taglio sulla sfera. L’ampiezza del segnale SQUID dipende dalla posizione MM relativa al sensore, fornendo così informazioni che possono essere utilizzate per la decodifica spaziale, la variazione della frequenza, invece, indica la presenza di restringimenti.  Se, per esempio, un vaso soffre di stenosi (placche arteriosclerotiche), la sua sezione trasversale sarà ridotta e questo aumenterà i vettori di velocità del profilo di flusso. Ciò porta ad un’accelerazione del movimento traslazionale e rotatorio della MM che attraversa la stenosi. Quindi, la frequenza del segnale SQUID sinusoidale aumenta e indica la presenza della restrizione.

Gli esperimenti sono stati condotti utilizzando un fantoccio di flusso. Il fantoccio consisteva in una sezione del tubo rettilineo, comprendente una regione di strozzamento variabile (lunghezza di 1 cm), in cui si potevano regolare le riduzioni fino al 50% del tubo del diametro originale del tubo d di 1,5 mm. Inoltre, è stata scelta una sezione di tubo curva per fornire un flusso secondario.

Prospettive future e applicazioni cliniche

MMT ha il potenziale per diventare un metodo diretto per la quantificazione del flusso sanguigno che offre alcuni vantaggi rispetto alle modalità attualmente esistenti. Ovviamente, una singola sfera rappresenta un bolo ideale per una quantificazione del flusso non ostacolata dagli effetti di dispersione. I parametri quantitativi sull’emodinamica ottenuti dall’MMT sono indipendenti dalla presenza di ossa, aria o tessuto e sono pertanto interpretati in modo affidabile per indicare sensibilmente le perturbazioni del flusso nelle arterie. L’eccellente risoluzione temporale dell’MMT è veloce quanto quella ottenuta nell’angiografia coronarica. Allo stesso tempo, MMT fornisce informazioni 3D reali ad alta risoluzione, che al momento sono accessibili solo usando metodi tomografici più lenti come CT o MRI. Poiché MMT è un metodo non invasivo che funziona senza radiazioni o forti campi magnetici, può essere adatto per le applicazioni di screening: in particolare il sistema MMT potrebbe migliorare la diagnosi di malattie cardiovascolari e aprire la strada per una migliore comprensione emodinamica del sistema arterioso.