Embora o ultrassom seja uma das ferramentas de imagens médicas mais comuns, os dispositivos eletrônicos de ultrassom convencionais tendem a ser volumosos e não podem ser usados ​​ao mesmo tempo que algumas outras tecnologias de imagem. Um novo sistema de ultra-som que usa óptica, em vez de componentes eletrônicos, pode melhorar o desempenho, ao mesmo tempo que dá aos médicos muito mais flexibilidade no uso do ultrassom para diagnosticar e tratar problemas médicos.

No jornal The Optical Society (OSA) Biomedical Optics Express , pesquisadores demonstram pela primeira vez o uso de um gerador de imagens de ultrassom totalmente óptico para a taxa de vídeo, imagem 2-D em tempo real de tecido biológico. A conquista é um passo importante para tornar o ultrassom totalmente óptico prático para o uso clínico de rotina.

Porque eles não requerem componentes eletrônicos na sonda de imagem, sistemas de ultra-som totalmente ópticos podem ser usados ​​com segurança ao mesmo tempo que scanners de imagem por ressonância magnética (MRI). Isso daria aos médicos uma imagem mais abrangente dos tecidos ao redor de uma área de interesse, como um tumor ou vaso sanguíneo.

"As sondas de imagem de ultrassom totalmente óptico têm o potencial de revolucionar as intervenções guiadas por imagem, "disse Erwin J. Alles, University College London, Reino Unido. "A falta de eletrônicos e a compatibilidade de ressonância magnética resultante permitirão uma verdadeira orientação de imagem multimodal, com sondas que são potencialmente apenas uma fração do custo das contrapartes eletrônicas convencionais. "

Os espelhos de varredura por feixe de luz embutidos no dispositivo aumentam a qualidade da imagem e possibilitam a aquisição de imagens em diferentes modos. Em um ambiente clínico, isso permitiria aos médicos alternar rapidamente entre os modos em um único instrumento para se adequar à tarefa em questão. A aquisição de diferentes tipos de imagens usando sistemas convencionais de ultrassom geralmente requer sondas especializadas separadas.

"A flexibilidade oferecida pelos espelhos de varredura permitirá uma troca perfeita entre imagens 2-D e 3-D, bem como uma compensação ajustável dinamicamente entre a resolução da imagem e a profundidade de penetração, sem a necessidade de trocar a sonda de imagem, "disse Alles." Especialmente em um ambiente intervencionista minimamente invasivo, trocar sondas de imagem é altamente prejudicial, estende o tempo de procedimento e apresenta riscos para o paciente. "

Eliminando eletrônicos

Os imageadores de ultrassom convencionais usam matrizes de transdutores eletrônicos para transmitir ondas sonoras de alta frequência para o tecido e receber os reflexos. Um computador então constrói imagens do tecido.

Por contraste, os imageadores de ultrassom totalmente ópticos usam luz para transmitir e receber ondas de ultrassom. A luz laser pulsada é usada para gerar ondas de ultrassom, e os espelhos de varredura controlam onde as ondas são transmitidas ao tecido. Um sensor de fibra óptica recebe as ondas refletidas.

Os componentes eletrônicos dos dispositivos de ultrassom convencionais tornam-nos difíceis de miniaturizar para uso interno, então a maioria dos dispositivos de ultrassom existentes são grandes, sondas portáteis colocadas contra a pele. Embora algumas sondas de ultrassom minimamente invasivas de alta resolução tenham sido desenvolvidas, eles são muito caros para o uso clínico de rotina. Os componentes ópticos são facilmente miniaturizados e pequenas sondas de ultra-som totalmente ópticas provavelmente seriam significativamente mais baratas de fabricar do que os sistemas de ultra-som eletrônicos compactos. pesquisadores dizem.

Acelerando o processamento de imagem

Para gerar imagens, um sistema de ultrassom totalmente óptico deve adquirir dados de vários locais de fontes ópticas, combine-os e crie uma visualização que reconstrua a área que está sendo visualizada.

Os pesquisadores já demonstraram o uso de ultrassom totalmente óptico para gerar imagens 2-D e 3-D de alta qualidade, mas a aquisição das imagens demorava horas, tornando esses dispositivos muito lentos para serem usados ​​em um ambiente clínico. A nova demonstração é a primeira a adquirir e exibir imagens com ultrassom totalmente óptico em taxas de vídeo.

"Por meio da combinação de um novo paradigma de imagem, novos materiais geradores de ultrassom óptico, geometrias de fonte de ultrassom otimizadas e um detector de ultrassom de fibra ótica altamente sensível, alcançamos taxas de quadros de imagem até três ordens de magnitude mais rápidas do que o estado da arte atual, "disse Alles.

Uma multiferramenta médica

Os sistemas de ultrassom óptico são inerentemente mais versáteis do que seus equivalentes eletrônicos porque podem produzir som em uma largura de banda muito maior. Alles e colegas demonstraram como a fonte de luz pode ser manipulada para gerar ultrassom de baixa frequência, o que resulta em maior penetração no tecido, ou ultrassom de alta frequência, que oferece imagens de alta resolução em uma profundidade menor.

A equipe testou seu sistema de protótipo por imagem de um peixe-zebra morto, bem como uma artéria de porco que eles manipularam para emular a dinâmica do sangue pulsante. A demonstração mostrou capacidades de imagem comparáveis ​​a um sistema eletrônico de ultra-som de alta frequência, com uma taxa de quadros sustentada de 15 Hertz, uma faixa dinâmica de 30 decibéis, uma profundidade de penetração de 6 milímetros e uma resolução de 75 por 100 micrômetros.

Para adaptar a tecnologia para uso clínico, os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver um longo, sonda de imagem flexível para operação à mão livre, bem como versões miniaturizadas para aplicações endoscópicas.