Los investigadores producen las primeras imágenes de ultrasonido con láser de humanos



Para la mayoría de las personas, hacerse un ultrasonido es un procedimiento relativamente fácil: cuando un técnico presiona suavemente una sonda contra la piel del paciente, las ondas de sonido generadas por la sonda pasan a través de la piel, rebotando en los músculos, la grasa y otros tejidos blandos antes de reflexionar. la sonda, que detecta y traduce las ondas en una imagen de lo que está debajo.

La ecografía convencional no expone a los pacientes a radiación dañina como lo hacen los escáneres de rayos X y CT, y generalmente no es invasiva. Pero esto requiere el contacto con el cuerpo de un paciente y, como tal, puede ser limitante en situaciones en las que los médicos pueden querer obtener imágenes de pacientes que no toleran bien el catéter, como bebés, pacientes quemados. u otros pacientes con piel sensible. Además, el contacto con la sonda de ultrasonido induce una variabilidad significativa de la imagen, que es un desafío importante en la ecografía moderna.

Ahora, los ingenieros del MIT han encontrado una alternativa al ultrasonido convencional, que no requiere contacto corporal para ver el interior de un paciente. La nueva técnica de ultrasonido láser explota un sistema láser que es seguro para los ojos y la piel para la imagen remota del interior de una persona. Cuando se entrena sobre la piel de un paciente, un láser genera de forma remota ondas de sonido que rebotan a través del cuerpo. Un segundo láser detecta de forma remota las ondas reflejadas, que los investigadores luego traducen en una imagen similar a la ecografía convencional.

En un artículo publicado hoy por La naturaleza en el Diario Light: ciencia y aplicaciones, el equipo informa haber generado las primeras imágenes de ultrasonido láser en humanos. Los investigadores escanearon los antebrazos de varios voluntarios y observaron características comunes de los tejidos, como los músculos, la grasa y los huesos, hasta unos 6 centímetros debajo de la piel. Estas imágenes, comparables a la ecografía convencional, se produjeron utilizando láseres remotos enfocados en un voluntario a medio metro de distancia.

"Estamos al principio de lo que podríamos hacer con el ultrasonido láser", dice Brian W. Anthony, investigador principal en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y el Instituto de Ingeniería Médica y Ciencia (IMES ), autor principal del documento. . "Imaginemos que llegamos a un punto en el que podemos hacer todo lo que el ultrasonido puede hacer ahora, pero desde la distancia". Esto le brinda una forma completamente nueva de ver los órganos dentro del cuerpo y determinar las propiedades del tejido profundo sin entrar en contacto con el paciente. "

Los coautores de Anthony en papel son el autor principal y becario postdoctoral del MIT Xiang (Shawn) Zhang, el recién graduado doctoral Jonathan Fincke, así como Charles Wynn, Matthew Johnson y Robert Haupt del Laboratorio Lincoln del MIT.

Gritando en un cañón – con una linterna

En los últimos años, los investigadores han explorado métodos basados ​​en láser en la excitación ultrasónica en un área conocida como fotoacústica. En lugar de enviar ondas de sonido directamente al cuerpo, la idea es enviar luz, en forma de láser pulsado sintonizado a una longitud de onda particular , que penetra en la piel y es absorbido por los vasos sanguíneos.

Los vasos sanguíneos se dilatan y relajan rápidamente, calentados instantáneamente por un pulso láser y luego enfriados rápidamente por el cuerpo a su tamaño original, para ser golpeados nuevamente por otro pulso de luz. Las vibraciones mecánicas resultantes generan ondas de sonido ascendentes, donde pueden ser detectadas por transductores colocados en la piel y traducidos en una imagen fotoacústica.

Si bien la fotoacústica utiliza láseres para sondear de forma remota las estructuras internas, la técnica siempre requiere un detector en contacto directo con el cuerpo para captar las ondas sonoras. Además, la luz solo puede recorrer una corta distancia a través de la piel antes de desaparecer. Como resultado, otros investigadores han usado fotoacústica para obtener imágenes de los vasos sanguíneos justo debajo de la piel, pero no mucho más profundamente.

Dado que las ondas de sonido viajan más allá del cuerpo que la luz, Zhang, Anthony y sus colegas buscaron una forma de convertir la luz de un rayo láser en ondas de sonido en la superficie de la piel, para crear Una imagen más profunda en el cuerpo.

Según su investigación, el equipo seleccionó láseres de 1.550 nanómetros, una longitud de onda muy absorbida por el agua (y segura para los ojos y la piel con un gran margen seguridad). Dado que la piel está compuesta principalmente de agua, el equipo consideró que debería absorber esta luz de manera efectiva, calentarla y expandirse en respuesta. Cuando vuelve a su estado normal, la piel misma debe producir ondas de sonido que se propagan a través del cuerpo.

Los investigadores probaron esta idea con una configuración láser, utilizando un láser pulsado configurado a 1550 nanómetros para generar ondas de sonido y un segundo láser continuo, configurado a la misma longitud de onda, para detectar de forma remota las ondas de sonido reflejadas. . Este segundo láser es un detector de movimiento sensible que mide las vibraciones en la superficie de la piel causadas por las ondas de sonido que rebotan en los músculos, las grasas y otros tejidos. El movimiento de la superficie de la piel, generado por las ondas sonoras reflejadas, provoca un cambio en la frecuencia del láser, que puede medirse. Al escanear mecánicamente los láseres sobre el cuerpo, los científicos pueden adquirir datos en diferentes lugares y generar una imagen de la región.

"Es como si estuviéramos gritando constantemente en el Gran Cañón mientras caminamos por la pared y escuchamos en diferentes lugares", dice Anthony. "Esto le proporciona datos suficientes para comprender la geometría de todas las cosas dentro de las cuales las olas han rebotado, y los gritos se hacen con una linterna".

Imágenes caseras

Los investigadores utilizaron por primera vez la nueva configuración para obtener imágenes de objetos metálicos incrustados en un molde de gelatina que se asemeja aproximadamente al contenido de agua de la piel. Tomaron imágenes de la misma gelatina usando una sonda de ultrasonido disponible en el mercado y descubrieron que las dos imágenes eran alentadoramente similares. Cambiaron a la imagen de tejido animal extirpado, en este caso, piel de cerdo, donde descubrieron que el ultrasonido láser podía distinguir características más sutiles, como el borde entre los músculos, el grasa y huesos

Finalmente, el equipo realizó los primeros experimentos de ultrasonido láser en humanos, utilizando un protocolo que fue aprobado por el Comité MIT sobre el uso de humanos como sujetos experimentales. . Después de escanear los antebrazos de varios voluntarios sanos, los investigadores produjeron las primeras imágenes de ultrasonido con láser sin contacto de un humano. Los límites de grasa, músculo y tejido son claramente visibles y comparables a las imágenes generadas utilizando sondas de ultrasonido de contacto comerciales.

Los investigadores planean mejorar su técnica y están buscando formas de mejorar el rendimiento del sistema para resolver líneas finas de tejido. También buscan mejorar las capacidades del láser de detección. Más adelante, esperan miniaturizar la configuración del láser, para que algún día el ultrasonido láser se pueda implementar como un dispositivo portátil.

"Me imagino un escenario en el que puedes hacer esto en casa", dice Anthony. "Cuando me levanto por la mañana, puedo obtener una imagen de mi tiroides o de mis arterias y puedo obtener imágenes fisiológicas en casa dentro de mi cuerpo". Podría imaginar desplegarlo en el entorno ambiental para comprender su estado interno. "

Esta investigación fue financiada en parte por el Programa de Línea Biomédica del Laboratorio Lincoln del MIT para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y por el Programa de Investigación de Medicina Operativa Militar del Comando de Materiales e Investigación Médica del Ejército de EE. UU.

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