Uma nova varredura permite que os cientistas vejam o interior do corpo humano em cores 3D

Detalhes do 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 utilizado, mas mostra principalmente o formato do tecido em duas dimensões e oferece uma área de visualização limitada. A imagem fotoacústica fornece um tipo diferente de informação. 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 captura bem a estrutura detalhada do tecido.

Outros métodos de imagem comuns, incluindo tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (MRI), apresentam desvantagens. Essas técnicas podem exigir agentes de contraste, expor os pacientes à radiação ionizante, custar mais ou demorar muito 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 a luz vibram após serem atingidas por curtos pulsos de laser, produzindo sinais acústicos que podem ser medidos e convertidos em imagens detalhadas.

Wang, que também atua como diretor executivo de engenharia médica da Caltech, disse que o objetivo do novo projeto era fundir os pontos fortes do ultrassom e da imagem fotoacústica. “Mas não é um mais um”, explica ele. “Precisávamos encontrar uma maneira ideal de combinar as duas tecnologias.”

Um design mais simples e prático

Os sistemas de ultrassom tradicionais dependem de muitos transdutores para enviar e receber ondas sonoras, tornando a integração direta com imagens fotoacústicas muito complicada e cara para uso amplo. A imagem fotoacústica, por outro lado, precisa apenas de detecção por ultrassom. Essa diferença levou Wang a uma nova ideia. “Eu pensei: ‘Espere, podemos apenas imitar a excitação luminosa das ondas de ultrassom na tomografia fotoacústica, mas fazê-lo ultrassonicamente?'”

Na imagem fotoacústica, a luz do laser se espalha através do tecido e aciona ondas de ultrassom que podem ser medidas. Wang percebeu que um único transdutor de ultrassom de campo amplo poderia, em vez disso, enviar ondas sonoras por todo o tecido. Os mesmos detectores poderiam 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. Esta configuração funciona efetivamente como um detector hemisférico completo, embora permaneça muito mais simples e menos dispendiosa.

Potencial demonstrado para uso humano

“A nova combinação de técnicas acústicas e fotoacústicas aborda muitas das principais limitações das técnicas de imagens médicas amplamente utilizadas na prática clínica atual e, mais importante, a viabilidade para aplicação em humanos foi demonstrada aqui em vários contextos”, disse o Dr. Charles Y. Liu, coautor do estudo e associado visitante em biologia e engenharia biológica na Caltech. Liu também é professor da Escola de Medicina Keck da USC, diretor do Centro de Neurorestauração da USC e presidente de neurocirurgia do Centro Nacional de Reabilitação Rancho Los Amigos.

Como o método pode ser usado em qualquer lugar que a luz alcance, o RUS-PAT pode ter amplas aplicações clínicas. Nas imagens do câncer de mama, poderia ajudar os médicos a identificar a localização de um tumor, ao mesmo tempo que revela informações sobre sua atividade biológica. Para pacientes com neuropatia diabética, a técnica poderia permitir aos médicos monitorar a estrutura nervosa e o fornecimento de oxigênio em um único exame. Wang também observa seu potencial para pesquisas sobre o cérebro, onde os cientistas poderiam estudar a anatomia do cérebro e, ao mesmo tempo, observar a dinâmica do fluxo sanguíneo.

Velocidade, profundidade e testes iniciais

Atualmente, o sistema pode gerar imagens de tecidos com até cerca de 4 centímetros de profundidade. A luz também pode ser fornecida por meio de ferramentas endoscópicas, que podem permitir acesso a áreas mais profundas do corpo. Cada varredura RUS-PAT leva menos de um minuto.

A configuração atual coloca transdutores de ultrassom e um laser sob uma cama de digitalização. O sistema já foi testado em voluntários humanos e pacientes e está agora nos estágios iniciais de transição para uso clínico.

Detalhes do estudo e financiamento

O artigo é intitulado “Ultrassom rotacional e tomografia fotoacústica do corpo humano”. Os co-autores principais são Yang Zhang, Shuai Na e Dr. Jonathan J. Russin. Zhang e Na conduziram o trabalho como pesquisadores de pós-doutorado na Caltech e agora estão baseados 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.

Contribuidores adicionais do Caltech incluem Karteekeya Sastry, Li Lin (PhD ’20), Junfu Zheng, Yilin Luo, Xin Tong (MS ’21), Yujin An, Peng Hu (PhD ’23) e o ex-cientista pesquisador Konstantin Maslov. Lin está atualmente 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.