Para la mayoria de la gente, obtener una ecografía es un procedimiento relativamente fácil:cuando un técnico presiona suavemente una sonda contra la piel de un paciente, las ondas sonoras generadas por la sonda viajan a través de la piel, rebotando en el músculo, grasa, y otros tejidos blandos antes de reflejarse en la sonda, que detecta y traduce las ondas en una imagen de lo que hay debajo.

El ultrasonido convencional no expone a los pacientes a radiación dañina como lo hacen los escáneres de rayos X y TC, y generalmente no es invasivo. Pero requiere contacto con el cuerpo de un paciente, y como tal, puede ser limitante en situaciones en las que los médicos pueden querer tomar imágenes de los pacientes que no toleran bien la sonda, como los bebés, víctimas de quemaduras, u otros pacientes con piel sensible. Es más, El contacto de la sonda de ultrasonido induce una variabilidad de imagen significativa, que es un gran desafío en la ecografía moderna.

Ahora, Los ingenieros del MIT han ideado una alternativa al ultrasonido convencional que no requiere contacto con el cuerpo para ver el interior de un paciente. La nueva técnica de ultrasonido láser aprovecha un sistema láser seguro para los ojos y la piel para obtener imágenes de forma remota del interior de una persona. Cuando se entrena en 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 luego los investigadores traducen en una imagen similar a la ecografía convencional.

En un artículo publicado hoy por Naturaleza en el diario Luz:ciencia y aplicaciones , el equipo informa que generó las primeras imágenes de ultrasonido láser en humanos. Los investigadores escanearon los antebrazos de varios voluntarios y observaron características comunes de los tejidos, como músculos, grasa, y hueso, hasta unos 6 centímetros por debajo de la piel. Estas imagenes, comparable al ultrasonido convencional, fueron producidos usando láseres remotos enfocados en un voluntario a medio metro de distancia.

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

Los coautores de Anthony en el artículo son el autor principal y postdoctorado del MIT Xiang (Shawn) Zhang, recién graduado de doctorado Jonathan Fincke, junto con Charles Wynn, Matthew Johnson, y Robert Haupt del Laboratorio Lincoln del MIT.

Gritando en un cañón, con una linterna

En años recientes, Los investigadores han explorado métodos basados ​​en láser en la excitación por ultrasonido en un campo conocido como fotoacústica. En lugar de enviar ondas sonoras directamente al cuerpo, la idea es enviar luz, en forma de un 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 expanden y se relajan rápidamente, calentados instantáneamente por un pulso de láser y luego enfriados rápidamente por el cuerpo hasta volver a su tamaño original, solo para ser golpeados nuevamente por otro pulso de luz. Las vibraciones mecánicas resultantes generan ondas sonoras que viajan de regreso, donde pueden ser detectados por transductores colocados en la piel y traducidos a una imagen fotoacústica.

Mientras que la fotoacústica utiliza láseres para sondear de forma remota las estructuras internas, la técnica todavía requiere un detector en contacto directo con el cuerpo para captar las ondas sonoras. Y lo que es más, la luz solo puede viajar una corta distancia en la piel antes de desvanecerse. Como resultado, otros investigadores han utilizado la fotoacústica para obtener imágenes de los vasos sanguíneos justo debajo de la piel, pero no mucho más profundo.

Dado que las ondas sonoras penetran más en el cuerpo que la luz, Zhang, Antonio, y sus colegas buscaron una forma de convertir la luz de un rayo láser en ondas sonoras en la superficie de la piel, para tener una imagen más profunda del cuerpo.

Basado en su investigación, el equipo seleccionó 1, Láseres de 550 nanómetros, una longitud de onda que es altamente absorbida por el agua (y es segura para los ojos y la piel con un amplio margen de seguridad). Como la piel está compuesta esencialmente de agua, el equipo razonó que debería absorber eficientemente esta luz, y calentar y expandir en respuesta. A medida que vuelve a oscilar a su estado normal, la piel misma debe producir ondas sonoras que se propaguen por el cuerpo.

Los investigadores probaron esta idea con una configuración láser, utilizando un láser pulsado ajustado a 1, 550 nanómetros para generar ondas sonoras, y un segundo láser continuo, sintonizado a la misma longitud de onda, para detectar de forma remota las ondas sonoras reflejadas. Este segundo láser es un detector de movimiento sensible que mide las vibraciones en la superficie de la piel causadas por las ondas sonoras que rebotan en los músculos. grasa, y otros tejidos. Movimiento de la superficie de la piel generado por las ondas sonoras reflejadas, provoca un cambio en la frecuencia del láser, que se puede medir. 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 al Gran Cañón mientras caminamos por el muro y escuchamos en diferentes lugares, "Dice Anthony." Eso te da datos suficientes para descubrir la geometría de todas las cosas en el interior contra las que rebotan las olas, y los gritos se hacen con una linterna ".

Imágenes en el hogar

Los investigadores utilizaron por primera vez la nueva configuración para obtener imágenes de objetos metálicos incrustados en un molde de gelatina que se asemeja más o menos al contenido de agua de la piel. Obtuvieron imágenes de la misma gelatina utilizando una sonda de ultrasonido comercial y encontraron que ambas imágenes eran alentadoramente similares. Pasaron a la imagen de tejido animal extirpado, en este caso, piel de cerdo:donde encontraron que el ultrasonido láser podía distinguir características más sutiles, como el límite entre el músculo, grasa, y hueso.

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

Los investigadores planean mejorar su técnica, y están buscando formas de mejorar el rendimiento del sistema para resolver las características finas del tejido. También buscan perfeccionar las capacidades del láser de detección. Más adelante en el camino esperan miniaturizar la configuración del láser, de modo que algún día el ultrasonido láser podría implementarse como un dispositivo portátil.

"Puedo imaginar un escenario en el que puedas hacer esto en casa, "Anthony dice." Cuando me levanto por la mañana, Puedo obtener una imagen de mi tiroides o arterias, y puedo tener imágenes fisiológicas en casa dentro de mi cuerpo. Podrías imaginar implementar esto en el entorno ambiental para comprender tu estado interno ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.