Tecnologia Científica

Os engenheiros do MIT criam ultra-sonografias a laser que podem olhar dentro do seu corpo sem que vocêsinta
A técnica pode ajudar a remotamente imaginar e avaliar a saúde de bebaªs, vitimas de queimaduras e sobreviventes de acidentes em locais de difa­cil acesso.
Por Jennifer Chu - 31/12/2019


Imagem cortesia dos pesquisadores
Uma nova técnica de ultrassom usa lasers para produzir imagens sob a pele, sem fazer contato com a pele, como as sondas convencionais de ultrassom. A nova técnica de ultra-som a laser foi usada para produzir uma imagem (a  esquerda) de um antebraa§o humano (acima), que também foi fotografada com ultra-som convencional (a  direita).

Para a maioria das pessoas, fazer um ultrassom éum procedimento relativamente fa¡cil: como um tanãcnico pressiona suavemente uma sonda contra a pele de um paciente, as ondas sonoras geradas pela sonda viajam atravanãs da pele, ressaltando maºsculos, gordura e outros tecidos moles antes de refletir novamente sobre a sonda, que detecta e traduz as ondas em uma imagem do que estãopor baixo.

O ultrassom convencional não expaµe os pacientes a radiação prejudicial, como fazem os raios X e os toma³grafos, e geralmente não éinvasivo. Mas requer contato com o corpo do paciente e, como tal, pode ser limitador em situações em que os médicos podem querer imaginar pacientes que não toleram bem a sonda, como bebaªs, vitimas de queimaduras ou outros pacientes com pele sensa­vel. Além disso, o contato da sonda de ultrassom induz uma variabilidade significativa da imagem, o que éum grande desafio nas imagens de ultrassom modernas.

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

Em um artigo publicado hoje pela Nature na revista Light: Science and Applications , a equipe relata a geração das primeiras imagens de ultrassom a laser em humanos. Os pesquisadores examinaram os antebraa§os de vários voluntários e observaram caracteri­sticas comuns de tecido, como maºsculo, gordura e osso, atécerca de 6 centa­metros abaixo da pele. Essas imagens, compara¡veis ​​ao ultrassom convencional, foram produzidas usando lasers remotos focados em um volunta¡rio a meio metro de distância.

"Estamos no começo do que podera­amos fazer com o ultrassom a laser", diz Brian W. Anthony, principal pesquisador do Departamento de Engenharia Meca¢nica do MIT e do Instituto de Engenharia Manãdica e Ciência (IMES), um dos autores principais do artigo. . “Imagine que chegamos a um ponto em que podemos fazer tudo o que o ultrassom pode fazer agora, mas a  distância. Isso oferece 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 primeiros conceitos para o ultra-som a laser sem contato para imagens médicas foram originados de um programa do Laborata³rio Lincoln estabelecido por Rob Haupt, do Active Optical Systems Group e Chuck Wynn, do Advanced Capabilities and Technologies Group, co-autores do novo artigo, juntamente com Matthew Johnson. A partir daa­, a pesquisa cresceu por meio da colaboração com Anthony e seus alunos, Xiang (Shawn) Zhang, que agora épa³s-doc do MIT e éo primeiro autor do artigo e o recente doutorado em Jonathan Fincke, que também éco-autor. O projeto combinou a experiência dos pesquisadores do Lincoln Laboratory em sistemas laser e a³pticos com a experiência do grupo Anthony em sistemas avana§ados de ultrassom e reconstrução de imagens médicas.

Gritando em um canyon - com uma lanterna


Nos últimos anos, os pesquisadores exploraram manãtodos baseados em laser na excitação por ultrassom em um campo conhecido como fotoacaºstica. Em vez de enviar diretamente ondas sonoras para o corpo, a idanãia éenviar luz, na forma de um laser pulsado sintonizado em um comprimento de onda especa­fico, que penetra na pele e éabsorvido pelos vasos sangua­neos.

Os vasos sangua­neos se expandem e relaxam rapidamente - aquecidos instantaneamente por um pulso de laser e depois rapidamente resfriados pelo corpo de volta ao tamanho original - apenas para serem atingidos novamente por outro pulso de luz. As vibrações meca¢nicas resultantes geram ondas sonoras que retornam, onde podem ser detectadas por transdutores colocados na pele e traduzidas em uma imagem fotoacaºstica.

Embora a fotoacaºstica use lasers para sondar remotamente estruturas internas, a técnica ainda requer um detector em contato direto com o corpo para captar as ondas sonoras. Além disso, a luz são pode percorrer uma curta distância na pele antes de desaparecer. Como resultado, outros pesquisadores usaram a fotoacaºstica para visualizar os vasos sangua­neos logo abaixo da pele, mas não muito mais profundamente.

Como as ondas sonoras viajam mais para o 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 nasuperfÍcie da pele, a fim de obter uma imagem mais profunda do corpo. 

Com base em suas pesquisas, a equipe selecionou lasers de 1.550 nana´metros, um comprimento de onda que éaltamente absorvido pela água(e éseguro para os olhos e a pele com uma grande margem de segurança). Como a pele éessencialmente composta de a¡gua, a equipe concluiu que deveria absorver eficientemente essa luz, aquecer e expandir em resposta. Amedida que oscila de volta ao seu estado normal, a própria pele deve produzir ondas sonoras que se propagam pelo corpo.

Os pesquisadores testaram essa idanãia com uma configuração de laser, usando um laser pulsado definido em 1.550 nana´metros para gerar ondas sonoras, e um segundo laser conta­nuo, sintonizado no mesmo comprimento de onda, para detectar remotamente as ondas sonoras refletidas. Esse segundo laser éum detector de movimentosensívelque mede as vibrações nasuperfÍcie da pele causadas pelas ondas sonoras que refletem maºsculos, gordura e outros tecidos. O movimento dasuperfÍcie da pele, gerado pelas ondas sonoras refletidas, causa uma alteração na frequência do laser, que pode ser medida. Ao digitalizar mecanicamente os lasers sobre o corpo, os cientistas podem adquirir dados em diferentes locais e gerar uma imagem da regia£o.

"a‰ como se estivanãssemos constantemente gritando no Grand Canyon enquanto caminhamos ao longo da parede e ouvimos em diferentes locais", diz Anthony. "Isso fornece dados suficientes para descobrir a geometria de todas as coisas dentro das quais as ondas batiam - e o grito éfeito com uma lanterna".

Imagem em casa


Os pesquisadores primeiro usaram a nova configuração para criar objetos de metal embutidos em um molde de gelatina que se assemelhavam ao conteaºdo de águada pele. Eles fotografaram a mesma gelatina usando uma sonda comercial de ultrassom e descobriram que as duas imagens eram encorajadoras semelhantes. Eles passaram a imagem de tecido animal excisado - neste caso, pele de porco -, onde descobriram que o ultrassom a laser poderia distinguir caracteri­sticas mais sutis, como a fronteira entre maºsculo, gordura e osso.

Finalmente, a equipe realizou os primeiros experimentos com ultrassom a laser em humanos, usando um protocolo que foi aprovado pelo Comitaª do MIT sobre o Uso de Humanos como Assuntos Experimentais. Depois de escanear os antebraa§os de vários voluntários sauda¡veis, os pesquisadores produziram as primeiras imagens de ultra-som a laser totalmente sem contato de um ser humano. Os limites de gordura, maºsculo e tecido são claramente visa­veis e compara¡veis ​​a s imagens geradas usando sondas de ultrassom comerciais baseadas em contato.

Os pesquisadores planejam melhorar sua técnica e estãoprocurando maneiras de aumentar o desempenho do sistema para resolver os detalhes do tecido. Eles também estãoprocurando aprimorar as capacidades do laser de detecção. Mais adiante, eles esperam miniaturizar a configuração do laser, para que o ultrassom possa um dia ser implantado como um dispositivo porta¡til.

"Eu posso imaginar um cena¡rio em que vocêécapaz de fazer isso em casa", diz Anthony. “Quando acordo de manha£, posso obter uma imagem da minha tirea³ide ou artanãrias e ter imagens fisiola³gicas em casa dentro do meu corpo. Vocaª pode imaginar implantar isso no ambiente ambiente para entender melhor seu estado interno. ” 

Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Programa de Linha Biomédica do Laborata³rio Lincoln do MIT para a Fora§a Aanãrea dos Estados Unidos e pelo Programa de Pesquisa em Medicina Operacional Militar do Exanãrcito dos EUA.

 

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