Il progetto LUMEN (Leaky-wave focused Ultrasound through Metamaterial Engineering) introduce un approccio innovativo alla stimolazione cerebrale mediante ultrasuoni focalizzati transcranici (tFUS), una tecnologia non invasiva impiegata nel trattamento di disturbi del movimento, tra cui il tremore essenziale e quello associato alla malattia di Parkinson. Nonostante i risultati clinici promettenti, l’efficacia della tFUS è oggi limitata dalla presenza del cranio, che altera la propagazione delle onde ultrasonore durante il processo di focalizzazione.
In particolare, l’interazione tra ultrasuoni e tessuto osseo genera onde guidate note come “leaky-Lamb waves”. Queste onde si propagano lungo il cranio e rilasciano energia nel cervello con angoli non controllati, producendo aberrazioni che compromettono la precisione del fuoco acustico. Di conseguenza, la stimolazione risulta meno accurata, soprattutto quando si vogliono raggiungere regioni cerebrali periferiche o profonde.
Le strategie attualmente adottate per compensare tali distorsioni si basano su algoritmi di correzione personalizzati, calibrati sul singolo paziente mediante tecniche di imaging avanzato come risonanza magnetica (MRI) e tomografia computerizzata (CT). Sebbene efficaci, queste procedure comportano costi elevati, richiedono infrastrutture specializzate e riducono l’accessibilità della terapia.
LUMEN propone un cambio di paradigma: invece di correggere le aberrazioni dopo che si sono formate, mira a controllarle all’origine. Il progetto prevede lo sviluppo di metasuperfici acustiche e impianti biocompatibili, ovvero strutture ingegnerizzate capaci di manipolare in modo mirato la propagazione delle onde. Attraverso un’attenta progettazione dei parametri geometrici e materiali, tali dispositivi potranno regolare – e potenzialmente sfruttare – la radiazione delle leaky-Lamb waves, migliorando la qualità della focalizzazione ultrasonora.
Questo approccio consentirebbe di ottenere una stimolazione più precisa senza ricorrere sistematicamente a complesse tecniche correttive a posteriori. L’obiettivo è rendere la tFUS più efficace, più accessibile e meno costosa, garantendo al contempo prestazioni affidabili per diverse morfologie craniche e differenti tipologie di pazienti.
Le ricadute attese sono significative. Un miglior controllo della focalizzazione potrebbe ampliare le applicazioni cliniche della stimolazione ultrasonora, offrendo nuove opportunità terapeutiche per milioni di persone affette non solo da tremore, ma anche da dolore neuropatico e dolore oncologico. Inoltre, i risultati del progetto avranno un impatto rilevante anche sul piano scientifico e tecnologico, contribuendo all’avanzamento della fisica delle onde in mezzi complessi, dell’ingegneria dei metamateriali e delle tecniche di imaging e terapia non invasiva.
In prospettiva, LUMEN punta a rendere le terapie ultrasonore più inclusive e sostenibili, migliorando la qualità di vita dei pazienti e contribuendo alla riduzione dei costi sanitari a livello globale.
Il progetto LUMEN è coordinato dal ricercatore Emanuele Riva.