Se i medici vogliono saperne di più sul rischio di malattie cardiovascolari di un paziente, possono ordinare un test da sforzo cardiaco. Ma quando si tratta di rischio di ictus, non esiste un test equivalente della funzione cerebrale, scalabile ed economico, che possa aiutare i medici a consigliare i pazienti sul loro rischio potenziale. Un questionario che chiede ai pazienti i fattori di rischio è attualmente lo strumento migliore per valutare tale rischio.
Ora, un team di ingegneri e scienziati del Caltech e della Keck School of Medicine dell’USC ha sviluppato un dispositivo basato su cuffie in grado di valutare in modo non invasivo il rischio di ictus di un paziente monitorando le variazioni del flusso e del volume del sangue mentre il partecipante trattiene il respiro. Il dispositivo è dotato di un sistema laser e ha mostrato risultati promettenti nel distinguere tra individui a basso e ad alto rischio di ictus.
La nuova tecnologia potrebbe rivoluzionare il modo in cui viene valutato il rischio di ictus
Ogni anno circa 1 persona su 1000 viene colpita da ictus. Il rischio aumenta con l’età. In media, gli uomini sono colpiti con una frequenza leggermente superiore. L’ictus è causato dall’ostruzione o dalla rottura di un’arteria del cervello, con conseguente riduzione del flusso sanguigno. Le cellule cerebrali muoiono rapidamente perché non ricevono più ossigeno: circa 2 milioni al minuto durante un ictus. Anche se l’ictus sopravvive, può causare danni fisici come problemi di linguaggio e di vista, disturbi dell’attenzione e della concentrazione, paralisi di un lato del corpo o problemi di deglutizione.
I ricercatori guidati da Simon Mahler, uno degli autori principali di un articolo che descrive la nuova tecnica e il dispositivo sulla rivista Biomedical Optics Express, e un postdoc nel laboratorio di Changhuei Yang, Thomas G. Myers Professor of Electrical Engineering, Bioengineering and Medical Engineering al Caltech e ricercatore presso l’Heritage Medical Research Institute, sono riusciti per la prima volta a utilizzare questo dispositivo per determinare se una persona è a rischio significativo di avere un ictus in futuro sulla base di una misurazione fisiologica. Gli esperti ritengono che questo strumento possa davvero rivoluzionare il modo in cui viene valutato il rischio di ictus e, in ultima analisi, aiuterà i medici a determinare se il rischio di un paziente è stabile o sta peggiorando.
“La nostra tecnologia ottica per la misurazione non invasiva del flusso sanguigno dovrebbe essere utile per una serie di applicazioni nelle malattie cerebrali”, ha dichiarato Yang, che è anche scienziato senior in ingegneria elettrica al Caltech. Egli ha sottolineato che questo progetto fa parte di una collaborazione più ampia con il dottor Charles Liu, professore di chirurgia neurologica clinica, chirurgia, psichiatria e scienze comportamentali e ingegneria biomedica presso la Keck School of Medicine della USC, e il suo team.
Spettroscopia a contrasto ottico speckle per la valutazione del rischio
In generale, i vasi sanguigni diventano più rigidi con l’età, il che significa che è più difficile dilatarli per far passare il sangue. Questo significa a sua volta che la persona è più soggetta a ictus. Il team del Caltech ha sviluppato un dispositivo compatto che proietta una luce laser a infrarossi attraverso il cranio e nel cervello in un punto, quindi utilizza una speciale telecamera nelle vicinanze per raccogliere la luce che rimbalza dopo essere stata dispersa dal sangue che scorre nei vasi sanguigni. Questo approccio, chiamato spettroscopia ottica a contrasto speckle (SCOS), misura la diminuzione dell’intensità luminosa dal punto in cui la luce entra nel cranio al punto in cui viene raccolta la luce riflessa per determinare il volume di sangue nei vasi sanguigni del cervello. Inoltre, analizza il modo in cui la luce si disperde e crea macchie nel campo visivo della telecamera. Le macchie fluttuano nelle immagini a seconda della velocità del flusso sanguigno nei vasi sanguigni. Più il sangue scorre velocemente, più il campo di macchie cambia rapidamente.
Utilizzando queste misurazioni, i ricercatori possono calcolare la relazione tra il flusso sanguigno e il volume di sangue che scorre attraverso il vaso per avere un’idea del rischio di ictus del paziente. Il team ha condotto uno studio su 50 partecipanti. Hanno utilizzato il questionario sul rischio di ictus attualmente in uso, il Cleveland Stroke Risk Calculator, per dividere i partecipanti in due gruppi: uno a basso rischio e uno ad alto rischio. Il flusso sanguigno è stato quindi misurato in ogni soggetto per tre minuti per quantificare la portata e il volume del sangue che raggiunge il cervello. Dopo un minuto, ai partecipanti è stato chiesto di trattenere il respiro.
Trattenere il respiro mette a dura prova il cervello, che inizia a rendersi conto di assorbire troppa anidride carbonica e troppo poco ossigeno. Entra in quella che Mahler chiama “modalità panico” e inizia a pompare ossigeno dal resto del corpo verso di sé. Questo aumenta notevolmente il flusso di sangue al cervello. Non appena si smette di trattenere il respiro, i livelli di ossigeno tornano ai valori di base. Sebbene ciò avvenga sia nelle persone a basso che ad alto rischio di ictus, i ricercatori hanno riscontrato differenze tra i gruppi in termini di movimento del sangue attraverso i vasi. Utilizzando la tecnica SCOS, i ricercatori possono misurare quanto si espandono i vasi sanguigni mentre il soggetto trattiene il respiro e quanto più velocemente il sangue fluisce attraverso i vasi in risposta. “Secondo i ricercatori, queste misurazioni reattive sono un indicatore della rigidità vascolare. Questa tecnologia permette per la prima volta di effettuare questo tipo di misurazione in modo non invasivo.
Una tecnologia con un futuro
I ricercatori hanno riscontrato una chiara e sorprendente evidenza di una diversa risposta del flusso sanguigno e del volume ematico tra i due gruppi. Nel gruppo a basso rischio di ictus, hanno osservato un aumento minore del flusso sanguigno durante l’esercizio di respirazione rispetto al gruppo ad alto rischio di ictus, ma un aumento maggiore del volume sanguigno – un’indicazione del fatto che più sangue può fluire attraverso i vasi sanguigni dilatati. I ricercatori possono vedere chiaramente che il gruppo a rischio più elevato ha un rapporto flusso/volume più alto, il che significa che ha un flusso più veloce ma un volume di sangue più basso durante la respirazione. Ciò è dovuto alla rigidità dei vasi sanguigni e indica un rischio maggiore di rottura. Se qualcuno viene da noi con un rapporto flusso/volume estremamente elevato, è probabile che subisca un ictus nel prossimo futuro.
Il team sta conducendo ulteriori studi con l’attuale prototipo di dispositivo di imaging su pazienti di un ospedale di Visalia, in California, per raccogliere ulteriori dati da una popolazione più ampia e diversificata. I ricercatori intendono inoltre incorporare l’apprendimento automatico nel processo di raccolta dei dati del dispositivo e condurre uno studio clinico che segua i pazienti per un periodo di oltre due anni per migliorare la tecnologia. Sperano che il dispositivo possa essere utilizzato non solo per lo screening del rischio pre-ictus, ma anche per rilevare ictus già avvenuti.