Per la maggior parte delle persone, ottenere un'ecografia è una procedura relativamente semplice:quando un tecnico preme delicatamente una sonda contro la pelle di un paziente, le onde sonore generate dalla sonda viaggiano attraverso la pelle, rimbalzare sui muscoli, Grasso, e altri tessuti molli prima di riflettersi sulla sonda, che rileva e traduce le onde in un'immagine di ciò che sta sotto.

Gli ultrasuoni convenzionali non espongono i pazienti a radiazioni nocive come fanno gli scanner a raggi X e TC, ed è generalmente non invasivo. Ma richiede il contatto con il corpo di un paziente, e come tale, può essere limitante in situazioni in cui i medici potrebbero voler visualizzare pazienti che non tollerano bene la sonda, come i bambini, vittime di ustioni, o altri pazienti con pelle sensibile. Per di più, il contatto con la sonda a ultrasuoni induce una significativa variabilità dell'immagine, che è una sfida importante nella moderna ecografia.

Ora, Gli ingegneri del MIT hanno escogitato un'alternativa agli ultrasuoni convenzionali che non richiedono il contatto con il corpo per vedere all'interno di un paziente. La nuova tecnica laser ad ultrasuoni sfrutta un sistema laser sicuro per gli occhi e la pelle per visualizzare a distanza l'interno di una persona. Quando viene addestrato sulla pelle di un paziente, un laser genera a distanza onde sonore che rimbalzano attraverso il corpo. Un secondo laser rileva a distanza le onde riflesse, che i ricercatori poi traducono in un'immagine simile agli ultrasuoni convenzionali.

In un articolo pubblicato oggi da Natura nel diario Luce:scienza e applicazioni , il team riferisce di aver generato le prime immagini ad ultrasuoni laser negli esseri umani. I ricercatori hanno scansionato gli avambracci di diversi volontari e hanno osservato caratteristiche comuni dei tessuti come muscoli, Grasso, e ossa, fino a circa 6 centimetri sotto la pelle. Queste immagini, paragonabile agli ultrasuoni convenzionali, sono stati prodotti utilizzando laser remoti focalizzati su un volontario da mezzo metro di distanza.

"Siamo all'inizio di quello che potremmo fare con gli ultrasuoni laser, " dice Brian W. Anthony, un ricercatore principale nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Istituto per l'ingegneria e la scienza medica (IMES) del MIT, un autore senior sulla carta. "Immagina di arrivare a un punto in cui possiamo fare tutto ciò che gli ultrasuoni possono fare ora, ma a distanza. Questo ti dà un modo completamente nuovo di vedere gli organi all'interno del corpo e determinare le proprietà dei tessuti profondi, senza entrare in contatto con il paziente".

I coautori di Anthony sull'articolo sono l'autore principale e il postdoc del MIT Xiang (Shawn) Zhang, neolaureato Jonathan Fincke, insieme a Charles Wynn, Matteo Johnson, e Robert Haupt del Lincoln Laboratory del MIT.

Urlando in un canyon—con una torcia

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno esplorato metodi basati sul laser nell'eccitazione degli ultrasuoni in un campo noto come fotoacustica. Invece di inviare direttamente le onde sonore nel corpo, l'idea è di mandare in luce, sotto forma di un laser pulsato sintonizzato su una particolare lunghezza d'onda, che penetra nella pelle e viene assorbito dai vasi sanguigni.

I vasi sanguigni si espandono e si rilassano rapidamente, riscaldati istantaneamente da un impulso laser, quindi rapidamente raffreddati dal corpo fino alla loro dimensione originale, solo per essere colpiti di nuovo da un altro impulso luminoso. Le vibrazioni meccaniche risultanti generano onde sonore che risalgono, dove possono essere rilevati da trasduttori posti sulla pelle e tradotti in un'immagine fotoacustica.

Mentre la fotoacustica utilizza i laser per sondare a distanza le strutture interne, la tecnica richiede ancora un rivelatore a diretto contatto con il corpo per captare le onde sonore. Cosa c'è di più, la luce può percorrere solo una breve distanza nella pelle prima di svanire. Di conseguenza, altri ricercatori hanno utilizzato la fotoacustica per visualizzare i vasi sanguigni appena sotto la pelle, ma non molto più profondo.

Poiché le onde sonore viaggiano più nel corpo della luce, Zhang, Antonio, e i loro colleghi hanno cercato un modo per convertire la luce di un raggio laser in onde sonore sulla superficie della pelle, per immaginare più in profondità nel corpo.

Sulla base delle loro ricerche, la squadra ha selezionato 1, laser a 550 nanometri, una lunghezza d'onda che è altamente assorbita dall'acqua (ed è sicura per gli occhi e la pelle con un ampio margine di sicurezza). Poiché la pelle è essenzialmente composta da acqua, il team ha pensato che avrebbe dovuto assorbire efficacemente questa luce, e riscaldarsi ed espandersi in risposta. Quando torna al suo stato normale, la pelle stessa dovrebbe produrre onde sonore che si propagano attraverso il corpo.

I ricercatori hanno testato questa idea con una configurazione laser, utilizzando un laser pulsato impostato a 1, 550 nanometri per generare onde sonore, e un secondo laser continuo, sintonizzati sulla stessa lunghezza d'onda, per rilevare a distanza le onde sonore riflesse. Questo secondo laser è un rilevatore di movimento sensibile che misura le vibrazioni sulla superficie della pelle causate dalle onde sonore che rimbalzano sui muscoli, Grasso, e altri tessuti. Movimento della superficie della pelle, generato dalle onde sonore riflesse, provoca un cambiamento nella frequenza del laser, che può essere misurato. Scansionando meccanicamente i laser sul corpo, gli scienziati possono acquisire dati in luoghi diversi e generare un'immagine della regione.

"È come se urlassimo costantemente nel Grand Canyon mentre camminiamo lungo il muro e ascoltiamo in luoghi diversi, " Dice Anthony. "Questo ti dà abbastanza dati per capire la geometria di tutte le cose all'interno contro cui le onde hanno rimbalzato - e le urla sono fatte con una torcia".

Imaging a domicilio

I ricercatori hanno utilizzato per la prima volta la nuova configurazione per visualizzare oggetti metallici incorporati in uno stampo di gelatina che assomiglia grosso modo al contenuto di acqua della pelle. Hanno ripreso la stessa gelatina usando una sonda ecografica commerciale e hanno scoperto che entrambe le immagini erano incoraggianti simili. Sono passati all'immagine di tessuto animale asportato, in questo caso, pelle di maiale, dove hanno scoperto che gli ultrasuoni laser potevano distinguere le caratteristiche più sottili, come il confine tra muscolo, Grasso, e osso.

Finalmente, il team ha effettuato i primi esperimenti di ultrasuoni laser nell'uomo, utilizzando un protocollo approvato dal Comitato del MIT sull'uso degli esseri umani come soggetti sperimentali. Dopo aver scansionato gli avambracci di diversi volontari sani, i ricercatori hanno prodotto le prime immagini ad ultrasuoni laser completamente senza contatto di un essere umano. Il grasso, muscolo, e i confini dei tessuti sono chiaramente visibili e paragonabili alle immagini generate utilizzando strumenti commerciali, sonde ecografiche a contatto.

I ricercatori intendono migliorare la loro tecnica, e stanno cercando modi per aumentare le prestazioni del sistema per risolvere le caratteristiche fini nel tessuto. Stanno anche cercando di affinare le capacità del laser di rilevamento. Più avanti lungo la strada, sperano di miniaturizzare la configurazione del laser, in modo che un giorno l'ultrasuono laser possa essere utilizzato come dispositivo portatile.

"Posso immaginare uno scenario in cui puoi farlo a casa, " dice Anthony. "Quando mi alzo la mattina, Posso avere un'immagine della mia tiroide o delle arterie, e posso avere immagini fisiologiche domiciliari all'interno del mio corpo. Potresti immaginare di distribuirlo nell'ambiente circostante per comprendere il tuo stato interno".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.