Pesquisadores da Caltech e da USC desenvolveram um novo método de imagem médica que cria rapidamente imagens coloridas em 3D que mostram a estrutura física dos tecidos moles e como os vasos sanguíneos estão funcionando. 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 ligados ao diabetes e novas formas de estudar o cérebro.
Descrição do trabalho publicada Engenharia Biomédica da Natureza.
Por que o equipamento de imagem existente é pequeno
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. Ele permite que médicos e pesquisadores vejam os vasos sanguíneos em cores ópticas e monitorem 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), 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.
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 cerebral de engenharia médica e engenharia elétrica e presidente de liderança em engenharia médica Andrew e Peggy Cherong na Caltech. No PAT, as moléculas de tecido que absorvem as vibrações da luz são atingidas por pulsos curtos de laser, gerando 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 novo projeto visa combinar os pontos fortes do ultrassom e da imagem fotoacústica. “Mas não é um mais um”, explica ele. “Precisamos 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 transmitir 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 simular a excitação luminosa das ondas de ultrassom na tomografia fotoacústica, mas fazê-lo ultrassonicamente?'”
Na imagem fotoacústica, a luz do laser viaja através do tecido e aciona ondas de ultrassom que podem ser medidas. Wang percebeu que um único transdutor de ultrassom de campo amplo poderia enviar ondas sonoras através do tecido. O mesmo detector pode 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 totalmente hemisférico, embora muito mais simples e menos dispendioso.
O potencial para uso humano foi demonstrado
“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, o potencial para aplicação em humanos é demonstrado aqui em vários contextos”, disse o Dr. Charles Y. Liu, coautor do estudo e associado visitante da Calbiological Engine. Liu 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 uma ampla gama de aplicações clínicas. Na imagem do câncer de mama, pode ajudar os médicos a identificar a localização de um tumor e também revelar informações sobre sua atividade biológica. Para pacientes com neuropatia diabética, esta técnica poderia permitir aos médicos monitorar a estrutura nervosa e o fornecimento de oxigênio em um único exame. Wang também observou seu potencial para pesquisas sobre o cérebro, onde os cientistas poderiam estudar a anatomia do cérebro enquanto observavam simultaneamente a dinâmica do fluxo sanguíneo.
Velocidade, profundidade e testes iniciais
Atualmente, o sistema pode gerar imagens de tecidos com até cerca de 4 cm de profundidade. A luz também pode ser fornecida por meio de equipamento endoscópico, que pode penetrar profundamente no corpo. Cada varredura RUS-PAT leva menos de um minuto.
A configuração atual coloca o transdutor 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 os Drs. Jonathan J. Rusin. 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. Rusin 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 Kartekeya Sastri, Li Lin (PhD ’20), Junfu Zheng, Yilin Luo, Jin Tong (MS ’21), Eugene 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. O estudo foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde.
