Pesquisadores da Caltech e da Universidade do Sul da Califórnia criaram um novo método de imagem médica que pode produzir rapidamente imagens coloridas em 3D que mostram a estrutura física dos tecidos moles e como funcionam os vasos sanguíneos. A tecnologia tem sido usada para criar imagens de várias partes do corpo humano. Os cientistas dizem que isso poderia levar a melhores imagens do câncer de mama, melhor rastreamento de danos nos nervos associados ao diabetes e novas maneiras de estudar o cérebro.
Detalhes deste trabalho foram publicados em Engenharia Biomédica da Natureza.
Por que as ferramentas de imagem existentes são insuficientes
O ultrassom padrão é rápido, acessível e amplamente disponível, mas exibe principalmente o formato do tecido em duas dimensões e tem uma área de visualização limitada. A imagem fotoacústica fornece diferentes tipos de informações. Funciona enviando luz laser para o corpo e detectando as ondas sonoras produzidas quando certas moléculas absorvem essa luz. Isso permite que médicos e pesquisadores vejam os vasos sanguíneos em cores ópticas e observem o fluxo sanguíneo nas artérias e veias. No entanto, a imagem fotoacústica não consegue capturar bem a estrutura detalhada do tecido.
Outros métodos de imagem comuns, incluindo tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM), apresentam vantagens e desvantagens. Essas técnicas podem exigir meios de contraste, expor os pacientes à radiação ionizante, ser mais caras ou levar muito tempo para serem usadas com frequência.
Combinando ultrassom e imagem fotoacústica
Para superar essas limitações, a equipe de pesquisa desenvolveu o RUS-PAT (tomografia ultrassonográfica rotacional, RUST, combinada com tomografia fotoacústica, PAT). A tomografia fotoacústica foi desenvolvida pela primeira vez há mais de duas décadas por Lihong Wang, professor Bren de Engenharia Médica e Engenharia Elétrica e Andrew e Peggy Cherng, Presidente de Liderança em Engenharia Médica da Caltech. No PAT, as moléculas de tecido que absorvem luz vibram após serem iluminadas por pulsos curtos de laser, produzindo um sinal acústico que pode ser medido e convertido em uma imagem detalhada.
Wang, que também é diretor executivo de engenharia médica da Caltech, disse que o objetivo do novo projeto é fundir as vantagens do ultrassom e da imagem fotoacústica. “Mas não é um mais um”, explicou ele. “Precisamos encontrar a melhor maneira de combinar essas duas tecnologias”.
Design mais simples e funcional
Os sistemas de ultrassom tradicionais dependem de muitos transdutores para enviar e receber ondas sonoras, tornando a integração direta com imagens fotoacústicas muito complexa e cara para uso generalizado. Em contraste, a imagem fotoacústica requer apenas detecção por ultrassom. Essa diferença deu a Wang uma nova ideia. “Pensei: ‘Espere um minuto, podemos simular a excitação óptica do ultrassom na tomografia fotoacústica, mas fazer isso com ultrassom?'”
Na imagem fotoacústica, a luz do laser viaja através do tecido e desencadeia ondas de ultrassom mensuráveis. Wang percebeu que um único transdutor de ultrassom de campo amplo poderia enviar ondas sonoras por todo o tecido. O mesmo detector pode então capturar sinais de ambos os métodos de imagem.
O sistema final utiliza um pequeno número de detectores em forma de arco que giram em torno de um ponto central. Este dispositivo funciona como um detector hemisférico completo, embora seja mais simples e barato.
Potencial demonstrado para uso humano
“A nova combinação de tecnologias acústicas e fotoacústicas aborda muitas das principais limitações das atuais técnicas de imagens médicas amplamente utilizadas na prática clínica e, mais importante, a viabilidade de aplicações humanas foi demonstrada em vários ambientes”, disse o coautor do estudo Charles Y. Liu, Ph.D., associado visitante em biologia e bioengenharia na Caltech. Liu também é professor da Escola de Medicina Keck da USC, diretor do Centro de Recuperação Neurológica da USC e chefe de neurocirurgia do Centro Nacional de Reabilitação em Rancho Los Amigos.
Como o método pode ser usado em qualquer lugar que a energia luminosa alcance, o RUS-PAT pode ter amplas aplicações clínicas. Na imagem do câncer de mama, pode ajudar os médicos a identificar a localização dos tumores, ao mesmo tempo que revela informações sobre sua atividade biológica. Para pacientes com neuropatia diabética, a tecnologia poderia permitir aos médicos monitorar a estrutura nervosa e o fornecimento de oxigênio em um único exame. Wang também aponta seu potencial na pesquisa do cérebro, onde os cientistas podem observar a dinâmica do fluxo sanguíneo enquanto estudam a anatomia do cérebro.
Velocidade, profundidade e testes iniciais
Atualmente, o sistema pode gerar imagens de tecidos a uma profundidade de cerca de 4 centímetros. A luz também pode ser fornecida por meio de ferramentas endoscópicas, que podem permitir o acesso a áreas mais profundas do corpo. Cada varredura RUS-PAT leva menos de um minuto.
A configuração atual coloca o transdutor de ultrassom e o laser abaixo da mesa de digitalização. O sistema foi testado em voluntários humanos e pacientes e está atualmente nos estágios iniciais de uso clínico.
Detalhes do estudo e financiamento
O artigo é intitulado “Ultrassom rotacional e tomografia fotoacústica no corpo humano”. Os co-autores principais são Yang Zhang, Na Shuai e Dr. Jonathan J. Rusin. Zhang e Na conduziram este trabalho como pesquisadores de pós-doutorado na Caltech e agora trabalham na Universidade de Tsinghua e na Universidade de Pequim, em Pequim, respectivamente. Russin é afiliado à Keck School of Medicine da USC e ao Centro Nacional de Reabilitação Rancho Los Amigos em Downey, Califórnia.
Outros colaboradores do Caltech incluem Karteekaya Sastry, Li Lin (PhD ’20), Junfu Cheng, Yilin Luo, Xin Tong (MS ’21), Yujin An, Peng Hu (PhD ’23) e o ex-cientista pesquisador Konstantin Maslov. Lin está atualmente estudando na Universidade de Zhejiang, em Hangzhou, China. Dr. Tze-Woei Tan, da Keck School of Medicine da USC, também é coautor. A pesquisa foi financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde.
