Para a maioria das pessoas, fazer um ultrassom é um procedimento relativamente fácil:enquanto um técnico pressiona suavemente uma sonda contra a pele de um paciente, ondas sonoras geradas pela sonda viajam pela pele, saltando no músculo, gordura, e outros tecidos moles antes de refletir de volta para a sonda, que detecta e traduz as ondas em uma imagem do que está por baixo.

O ultrassom convencional não expõe os pacientes à radiação prejudicial, como fazem os raios X e tomografias computadorizadas, e geralmente não é invasivo. Mas requer contato com o corpo do paciente, e como tal, pode ser limitante em situações em que os médicos podem querer imagens de pacientes que não toleram bem a sonda, como bebês, vítimas de queimaduras, ou outros pacientes com pele sensível. Além disso, o contato da sonda de ultrassom induz uma variabilidade significativa da imagem, o que é um grande desafio na imagem moderna de ultrassom.

Agora, Os engenheiros do MIT criaram uma alternativa ao ultrassom convencional que não requer contato com o corpo para ver o interior do paciente. A nova técnica de ultrassom a laser aproveita um sistema de laser seguro para os olhos e a pele para obter imagens remotamente do interior de uma pessoa. Quando treinado na pele de um paciente, um laser gera remotamente ondas sonoras que refletem pelo corpo. Um segundo laser detecta remotamente as ondas refletidas, que os pesquisadores então traduzem em uma imagem semelhante ao ultrassom convencional.

Em um artigo publicado hoje por Natureza no jornal Luz:Ciência e Aplicações , a equipe relata a geração das primeiras imagens de ultrassom a laser em humanos. Os pesquisadores escanearam os antebraços de vários voluntários e observaram características comuns do tecido, como músculos, gordura, e osso, até cerca de 6 centímetros abaixo da pele. Essas imagens, comparável ao ultrassom convencional, foram produzidos usando lasers remotos focados em um voluntário a meio metro de distância.

"Estamos no início do que poderíamos fazer com ultrassom a laser, "diz Brian W. Anthony, um cientista pesquisador principal do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT e do Instituto de Engenharia Médica e Ciência (IMES), um autor sênior no papel. "Imagine que chegamos a um ponto em que podemos fazer tudo o que o ultrassom pode fazer agora, mas à distância. Isso dá a você uma maneira totalmente nova de ver os órgãos dentro do corpo e determinar as propriedades dos tecidos profundos, sem fazer contato com o paciente. "

Os co-autores de Anthony no artigo são o autor principal e pós-doutorado do MIT Xiang (Shawn) Zhang, recente doutorado Jonathan Fincke, junto com Charles Wynn, Matthew Johnson, e Robert Haupt, do Lincoln Laboratory do MIT.

Gritando para um desfiladeiro - com uma lanterna

Nos últimos anos, pesquisadores exploraram métodos baseados em laser na excitação de ultrassom em um campo conhecido como fotoacústica. Em vez de enviar ondas sonoras diretamente para o corpo, a ideia é enviar luz, na forma de um laser pulsado sintonizado em um comprimento de onda específico, que penetra na pele e é absorvido pelos vasos sanguíneos.

Os vasos sanguíneos se expandem e relaxam rapidamente - instantaneamente aquecidos por um pulso de laser e então resfriados rapidamente pelo corpo de volta ao seu tamanho original - apenas para serem atingidos novamente por outro pulso de luz. As vibrações mecânicas resultantes geram ondas sonoras que viajam de volta, onde podem ser detectados por transdutores colocados na pele e traduzidos em uma imagem fotoacústica.

Enquanto a fotoacústica usa lasers para sondar estruturas internas remotamente, a técnica ainda requer um detector em contato direto com o corpo para captar as ondas sonoras. O que mais, a luz só pode percorrer uma curta distância na pele antes de desaparecer. Como resultado, outros pesquisadores usaram fotoacústica para criar imagens de vasos sanguíneos logo abaixo da pele, mas não muito mais profundo.

Uma vez que as ondas sonoras viajam mais para dentro do corpo do que a luz, Zhang, Anthony, e seus colegas procuraram uma maneira de converter a luz de um feixe de laser em ondas sonoras na superfície da pele, para obter uma imagem mais profunda no corpo.

Com base em sua pesquisa, a equipe selecionou 1, Lasers de 550 nanômetros, um comprimento de onda que é altamente absorvido pela água (e é seguro para os olhos e para a pele com uma grande margem de segurança). Como a pele é essencialmente composta de água, a equipe concluiu que deveria absorver essa luz de forma eficiente, e aquecer e expandir em resposta. À medida que oscila de volta ao seu estado normal, a própria pele deve produzir ondas sonoras que se propagam pelo corpo.

Os pesquisadores testaram essa ideia com uma configuração de laser, usando um laser pulsado definido como 1, 550 nanômetros para gerar ondas sonoras, e um segundo laser contínuo, sintonizado no mesmo comprimento de onda, para detectar remotamente ondas sonoras refletidas. Este segundo laser é um detector de movimento sensível que mede as vibrações na superfície da pele causadas pelas ondas sonoras ricocheteando no músculo, gordura, e outros tecidos. Movimento da superfície da pele, gerado pelas ondas sonoras refletidas, causa uma mudança na frequência do laser, que pode ser medido. Ao escanear mecanicamente os lasers sobre o corpo, os cientistas podem adquirir dados em diferentes locais e gerar uma imagem da região.

"É como se estivéssemos gritando constantemente no Grand Canyon enquanto caminhamos ao longo da parede e ouvimos em diferentes locais, "Anthony diz." Isso então lhe dá dados suficientes para descobrir a geometria de todas as coisas dentro das quais as ondas ricocheteiam - e a gritaria é feita com uma lanterna. "

Imagens em casa

Os pesquisadores primeiro usaram a nova configuração para criar imagens de objetos de metal embutidos em um molde de gelatina que lembra o conteúdo de água da pele. Eles fotografaram a mesma gelatina usando uma sonda de ultrassom comercial e descobriram que as duas imagens eram encorajadoramente semelhantes. Eles seguiram para o tecido animal extirpado por imagem - neste caso, pele de porco - onde eles descobriram que o ultrassom a laser pode distinguir características mais sutis, como o limite entre os músculos, gordura, e osso.

Finalmente, a equipe realizou os primeiros experimentos de ultrassom a laser em humanos, usando um protocolo que foi aprovado pelo Comitê sobre o Uso de Seres Humanos como Assuntos Experimentais do MIT. Depois de escanear os antebraços de vários voluntários saudáveis, os pesquisadores produziram as primeiras imagens de ultrassom a laser totalmente sem contato de um ser humano. A gordura, músculo, e os limites do tecido são claramente visíveis e comparáveis ​​às imagens geradas usando comerciais, sondas de ultrassom baseadas em contato.

Os pesquisadores planejam melhorar sua técnica, e estão procurando maneiras de aumentar o desempenho do sistema para resolver recursos finos no tecido. Eles também estão procurando aprimorar as capacidades do laser de detecção. Mais adiante na estrada, eles esperam miniaturizar a configuração do laser, para que o ultrassom a laser pudesse um dia ser implantado como um dispositivo portátil.

"Posso imaginar um cenário em que você seja capaz de fazer isso em casa, "Anthony diz." Quando eu me levanto de manhã, Posso obter uma imagem da minha tireóide ou artérias, e posso ter imagens fisiológicas em casa dentro do meu corpo. Você pode imaginar a implantação disso no ambiente para obter uma compreensão do seu estado interno. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.