Tanto o ultrassom para imagens médicas quanto a sismologia para imagens do interior da Terra medem a propagação das ondas através da matéria. Por exemplo, quando as ondas sísmicas encontram diferenças materiais no interior da Terra, como entre diferentes formações rochosas, elas são refletidas e refratadas em suas interfaces. Como resultado, a velocidade das ondas muda. Se os pesquisadores medirem essas ondas na superfície, poderão tirar conclusões sobre a estrutura do interior da Terra, bem como a composição das rochas e suas propriedades materiais, como densidade, pressão ou temperatura.
Com a ajuda de algoritmos sofisticados e computadores de alto desempenho, como o Piz Daint do CSCS, pesquisadores como Andreas Fichtner, da ETH Zurich, professor do Instituto de Geofísica e chefe do Grupo de Sismologia e Física das Ondas, podem usar esses dados de ondas para caracterizar os três estrutura tridimensional da Terra. Os paralelos com a propagação entre ondas de ultrassom e terremotos, bem como o know-how da equipe no campo da física das ondas – como as informações que as ondas carregam podem ser usadas e convertidas em imagens – levaram o professor da ETH e seu grupo a também estudar ondas propagação para ultra-som médico.

Os pesquisadores continuam a trabalhar em conjunto com médicos do hospital universitário da Universidade de Zurique para desenvolver ainda mais essas técnicas. Se Marty for bem-sucedido durante os próximos três anos de sua tese de doutorado em desenvolver ainda mais os procedimentos de malha e imagem do cérebro, esses mesmos métodos podem ser transferíveis para outras partes do corpo, como joelhos ou cotovelos. Isso serviria como uma base promissora para o desenvolvimento de um dispositivo de ultrassom correspondente.

Patrick Marty, Ph.D. aluno do grupo de Fichtner, agora está desenvolvendo em sua tese de doutorado um método para superar esse desafio com o apoio de Christian Böhm, cientista sênior do Grupo de Sismologia e Física das Ondas. Este método deve fornecer a base para a imagem do cérebro com ultra-som em alta resolução, de acordo com os cientistas.

Para simular a propagação das ondas pelo cérebro, os pesquisadores estão desenvolvendo algoritmos que realizam muitos cálculos sobre uma grade especial conhecida como malha. No centro disso está um pacote de software chamado Salvus. Desenvolvido na ETH Zurich com o apoio do CSCS, o Salvus modela a propagação do campo de onda completo (forma de onda completa) em escalas espaciais que variam de alguns milímetros a milhares de quilômetros. Os sismólogos da ETH usam este software para simular ondas sísmicas, por exemplo, para explorar o interior da Terra ou de Marte, e agora também para imagens médicas. O pacote de software usa o método de elemento espectral (SEM), que é particularmente adequado para simular a propagação de ondas em meios com transições de materiais de alto contraste, como tecido mole do cérebro e osso.

“Diferente do ultrassom convencional, que usa apenas o tempo de chegada das ondas, usamos toda a informação da onda em nossas simulações”, diz Marty. Isso significa que a forma, frequência, velocidade e amplitude da onda em cada ponto de sua propagação fluem para os cálculos.

Aprendizagem em um scanner de ressonância magnética

Para seu modelo, os pesquisadores primeiro usam uma ressonância magnética do cérebro como referência. Em seguida, no supercomputador Piz Daint, eles realizam cálculos com diferentes parâmetros até que a imagem simulada corresponda à da ressonância magnética.

Com este método, eles obtêm uma imagem quantitativa em vez da imagem em escala de cinza menos informativa comum ao ultrassom convencional. Ao usar todas as informações do campo de ondas completo, os pesquisadores podem mapear corretamente as propriedades físicas do meio – a velocidade com que as ondas de ultrassom se propagam pelo tecido, suas propriedades de amortecimento e a densidade do tecido – em cada ponto do cérebro. Em última análise, isso torna possível determinar o tipo de tecido e distinguir se é uma massa cerebral ou tecido tumoral, por exemplo, já que a densidade, atenuação ou velocidade do som associada aos diferentes tipos de tecidos são conhecidas por experimentos de laboratório.

Os pesquisadores estão convencidos de que esse método pode ser usado para distinguir tecido saudável de tecido doente, sendo não invasivo e econômico. Especificamente, este método pode ser alimentado em um computador que está integrado a um aparelho de ultrassom especialmente desenvolvido para este fim. O computador realizaria uma série de cálculos usando os sinais de ultrassom registrados pelos sensores, e o resultado seria uma imagem 3D do cérebro sendo examinado. No entanto, os pesquisadores ressaltam que ainda há um longo caminho a percorrer até que isso possa entrar na prática clínica.

Um desafio particular remanescente é a geometria complexa do crânio, devido às cavidades dos olhos, nariz e mandíbula, etc., que devem ser modeladas com precisão na simulação sem aumentar drasticamente o tempo de computação. Para resolver esse problema, Marty está desenvolvendo métodos que criam malhas numéricas individuais para formas arbitrárias de crânios a partir de hexaedros (pequenos elementos que têm seis faces). "Com esses pequenos cubos deformados, somos 100 a 1000 vezes mais rápidos do que se estivéssemos trabalhando com tetraedros", diz Böhm. "Além disso, o projeto se beneficia muito de novos desenvolvimentos em placas gráficas, como as que temos na Piz Daint e, no futuro, na Alps. Elas são ideais para esse método."

Assim, há cerca de seis anos, o grupo de pesquisa trabalhou com médicos para desenvolver com sucesso métodos de ultra-som para a detecção precoce do câncer de mama. A equipe agora está investigando como o cérebro pode ser examinado com ultra-som. Com esse método, os pesquisadores e médicos poderão um dia monitorar pacientes com AVC ou identificar tumores cerebrais, por exemplo.

Exame não invasivo e econômico

Comparado à tomografia computadorizada (TC) ou raios-X, o ultrassom tem uma vantagem decisiva:o procedimento é quase totalmente inofensivo para o corpo. Além disso, é muito mais econômico do que a ressonância magnética (RM), por exemplo, e os aparelhos de ultrassom são transportáveis ​​para uso em regiões remotas. O problema, no entanto, é que o ultra-som até agora só funcionou bem para tecidos moles - é muito difícil obter ondas de ultra-som através de estruturas duras como o crânio, porque o osso reflete fortemente e amortece as ondas. + Explorar mais

Modelo teórico que descreve o movimento das ondas de ultrassom na presença de várias bolhas