Pesquisadores da Caltech e da USC criaram uma nova abordagem para imagens médicas que cria rapidamente imagens tridimensionais coloridas que mostram a estrutura física dos tecidos moles e o funcionamento dos vasos sanguíneos. A técnica já foi utilizada para obter imagens de diversas partes do corpo humano. Os cientistas dizem que isso poderia levar a melhores imagens do câncer de mama, melhor rastreamento de danos nos nervos relacionados ao diabetes e novas maneiras de estudar o cérebro.
Os detalhes do trabalho estão publicados em Engenharia biomédica da natureza.
Por que as ferramentas de visualização existentes são insuficientes
O ultrassom padrão é rápido, acessível e amplamente utilizado, mas mostra principalmente o formato do tecido em duas dimensões e oferece um campo de visão limitado. A imagem fotoacústica fornece outras 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 captura bem a estrutura detalhada do tecido.
Outras modalidades de imagem comuns, incluindo tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM), têm vantagens e desvantagens. Essas técnicas podem exigir agentes de contraste, expor os pacientes à radiação ionizante, custar mais ou demorar muito para serem usadas com frequência.
Uma combinação de 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 presidente Andrew e Peggy Cherng em Engenharia Médica da Caltech. No PAT, as moléculas de tecido que absorvem luz vibram após serem atingidas por pulsos curtos de laser, criando sinais acústicos que podem ser medidos e convertidos em imagens detalhadas.
Wang, que também é diretor executivo do Instituto Cal de Engenharia Médica, disse que o objetivo do novo projeto é combinar os pontos fortes do ultrassom e da imagem fotoacústica. “Mas não é um mais um”, explica ele. “Precisávamos encontrar a maneira ideal de combinar as duas tecnologias.”
Design mais simples e prático
Os sistemas de ultrassom tradicionais dependem de múltiplos transdutores para enviar e receber ondas sonoras, tornando a integração direta com imagens fotoacústicas muito complexa e cara para uso generalizado. A imagem fotoacústica, por outro lado, requer apenas detecção por ultrassom. Essa diferença levou Wang a uma nova ideia. “Pensei: ‘Espere, podemos apenas imitar a excitação luminosa das ondas de ultrassom na tomografia fotoacústica, mas fazer isso com ultrassom?’
Na imagem fotoacústica, a luz do laser viaja através do tecido e produz ondas de ultrassom que podem ser medidas. Wang percebeu que, em vez disso, um único sensor de ultrassom de campo amplo poderia enviar ondas sonoras através do tecido. Os mesmos detectores poderiam então capturar sinais de ambas as modalidades 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, permanecendo muito mais simples e menos dispendiosa.
Potencial demonstrado para uso humano
“A nova combinação de técnicas acústicas e fotoacústicas aborda muitas limitações importantes das técnicas de imagem médica amplamente utilizadas na prática clínica atual e, mais importante, a aplicabilidade humana foi demonstrada aqui em uma variedade de contextos”, disse o Dr. Charles Y. Liu, co-autor do estudo e pesquisador visitante em biologia e engenharia biológica na Caltech. Liu também é professor da Escola de Medicina Keck da USC, diretor do Centro de Neurorreabilitação da USC e chefe 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. Ao obter imagens do câncer de mama, pode ajudar os médicos a identificar a localização de um tumor e revelar informações sobre sua atividade biológica. Para pacientes com neuropatia diabética, esta técnica pode permitir que os médicos monitorem a estrutura nervosa e a oxigenação em um único exame. Wang também observa seu potencial para pesquisas sobre o cérebro, onde os cientistas poderiam estudar a anatomia do cérebro enquanto observavam a dinâmica do fluxo sanguíneo.
Velocidade, profundidade e testes iniciais
Atualmente, o sistema pode detectar tecidos com até 4 centímetros de profundidade. A luz também pode ser fornecida por meio de instrumentos endoscópicos, que podem permitir o acesso a áreas mais profundas do corpo. Cada varredura RUS-PAT leva menos de um minuto.
A configuração atual contém sensores de ultrassom e um laser embaixo da cama para digitalização. O sistema já foi testado em voluntários humanos e pacientes e está agora nos estágios iniciais de transição para uso clínico.
Detalhes da pesquisa e financiamento
O trabalho intitula-se “Ultrassom rotacional e tomografia fotoacústica do corpo humano”. Os co-autores são Yang Zhang, Shuai Na e Dr. Jonathan J. Rusyn. Zhang e Na fizeram pós-doutorado na Caltech e atualmente estão na Universidade 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-pesquisador Konstantin Maslav. Lin está atualmente estudando na Universidade de Zhejiang, em Hangzhou, China. Dr. Tse-Woi Tan, da Keck School of Medicine (USC), também é coautor. O estudo foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde.
