Producen las primeras imágenes de ultrasonido con láser en humanos

Producen las primeras imágenes de ultrasonido con láser en humanos Una nueva técnica de ultrasonido utiliza láseres para producir imágenes debajo de la piel, sin hacer contacto con la piel como lo hacen las sondas de ultrasonido convencionales. La nueva técnica de ultrasonido con láser se usó para producir una imagen (izquierda) de un antebrazo humano (arriba), que también se visualizó usando el ultrasonido convencional (derecha). Foto: MIT
Agencia Latina de Noticias Medicina y Salud Pública

Para la mayoría de las personas, obtener un ultrasonido es un procedimiento relativamente fácil: A medida que un técnico presiona suavemente una sonda contra la piel de un paciente, las ondas sonoras generadas por la sonda viajan a través de la piel, rebotando en el músculo, la grasa y otros tejidos blandos antes de reflejarse de nuevo en la sonda, que detecta y traduce las ondas en una imagen de lo que se encuentra debajo.

El ultrasonido convencional no expone a los pacientes a la radiación dañina como lo hacen los escáneres de rayos X y TC, y generalmente no es invasivo. Pero sí requiere contacto con el cuerpo de un paciente, y como tal, puede ser limitante en situaciones en las que los médicos pueden querer visualizar pacientes que no toleran bien la sonda, como bebés, víctimas de quemaduras, u otros pacientes con piel sensible. Además, el contacto de la sonda de ultrasonido induce una variabilidad significativa de la imagen, lo cual es un reto importante en la imagenología de ultrasonido moderna.

Ahora, los ingenieros del MIT han ideado una alternativa al ultrasonido convencional que no requiere contacto con el cuerpo para ver el interior de un paciente. La nueva técnica de ultrasonido láser aprovecha un sistema de láser seguro para los ojos y la piel para ver a distancia el interior de una persona. Cuando se entrena en la piel de un paciente, un láser genera remotamente ondas de sonido que rebotan en el cuerpo. Un segundo láser detecta remotamente las ondas reflejadas, que los investigadores luego traducen en una imagen similar al ultrasonido convencional.

En un artículo publicado por Nature en la revista Light: Science and Applications, el equipo informa de la generación de las primeras imágenes de ultrasonido láser en humanos. Los investigadores escanearon los antebrazos de varios voluntarios y observaron características tisulares comunes como músculo, grasa, y hueso, hasta aproximadamente 6 centímetros debajo de la piel. Esas imágenes, comparables al ultrasonido convencional, fueron producidas usando láseres remotos enfocados en un voluntario desde medio metro de distancia.

"Estamos al principio de lo que podríamos hacer con el ultrasonido láser", dice Brian W. Anthony, científico investigador principal del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y del Instituto de Ingeniería y Ciencia Médica (IMES), uno de los autores principales del trabajo. "Imagine que llegamos a un punto en el que podemos hacer todo lo que el ultrasonido puede hacer ahora, pero a distancia. Esto le da una forma completamente nueva de ver los órganos dentro del cuerpo y determinar las propiedades de los tejidos profundos, sin hacer contacto con el paciente".

Los primeros conceptos para el ultrasonido láser sin contacto para la imagenología médica se originaron en un programa del Laboratorio Lincoln establecido por Rob Haupt del Grupo de Sistemas Ópticos Activos y Chuck Wynn del Grupo de Capacidades y Tecnologías Avanzadas, quienes son coautores del nuevo documento junto con Matthew Johnson. A partir de ahí, la investigación creció a través de la colaboración con Anthony y sus estudiantes, Xiang (Shawn) Zhang, que ahora es un postdoctorado del MIT y es el primer autor del artículo, y el reciente doctorado Jonathan Fincke, que también es co-autor. El proyecto combinó la experiencia de los investigadores del Laboratorio Lincoln en láser y sistemas ópticos con la experiencia del grupo Anthony con sistemas avanzados de ultrasonido y reconstrucción de imágenes médicas.

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Detalles de la investigación

En años recientes, los investigadores han explorado métodos basados en láser en la excitación de ultrasonido en un campo conocido como fotoacústica. En lugar de enviar directamente ondas de sonido al cuerpo, la idea es enviar luz, en forma de un láser pulsado sintonizado a una longitud de onda particular, que penetra en la piel y es absorbido por los vasos sanguíneos.

Los vasos sanguíneos se expanden y se relajan rápidamente, se calientan instantáneamente por un pulso de láser y luego se enfrían rápidamente por el cuerpo hasta su tamaño original, sólo para ser golpeados de nuevo por otro pulso de luz. Las vibraciones mecánicas resultantes generan ondas de sonido que viajan de vuelta hacia arriba, donde pueden ser detectadas por transductores colocados en la piel y traducidas en una imagen fotoacústica.

Mientras que la fotoacústica utiliza láseres para sondear remotamente las estructuras internas, la técnica aún requiere un detector en contacto directo con el cuerpo para poder captar las ondas de sonido

. Es más, la luz sólo puede viajar una corta distancia dentro de la piel antes de desvanecerse. Como resultado, otros investigadores han usado la fotoacústica para visualizar los vasos sanguíneos justo debajo de la piel, pero no mucho más profundo.

Debido a que las ondas de sonido viajan más lejos en el cuerpo que la luz, Zhang, Anthony y sus colegas buscaron una manera de convertir la luz de un rayo láser en ondas de sonido en la superficie de la piel, para poder obtener una imagen más profunda del cuerpo.

Los investigadores probaron esta idea con una configuración de láser, usando un láser pulsado ajustado a 1.550 nanómetros para generar ondas de sonido, y un segundo láser continuo, sintonizado a la misma longitud de onda, para detectar remotamente las ondas de sonido reflejadas. Este segundo láser es un detector de movimiento sensible que mide las vibraciones en la superficie de la piel causadas por las ondas sonoras que rebotan en el músculo, la grasa y otros tejidos. El movimiento de la superficie de la piel, generado por las ondas de sonido reflejadas, causa un cambio en la frecuencia del láser, que puede ser medido. Al escanear mecánicamente los láseres sobre el cuerpo, los científicos pueden adquirir datos en diferentes lugares y generar una imagen de la región.

"Es como si estuviéramos gritando constantemente en el Gran Cañón mientras caminamos a lo largo del muro y escuchamos en diferentes lugares. Eso entonces te da suficientes datos para averiguar la geometría de todas las cosas dentro que las ondas rebotan contra - y el grito se hace con una linterna",

dijo Anthony.

Imágenes en el hogar

Los investigadores usaron primero la nueva configuración para visualizar objetos metálicos incrustados en un molde de gelatina que se asemeja aproximadamente al contenido de agua de la piel. Imaginaron la misma gelatina usando una sonda de ultrasonido comercial y encontraron que ambas imágenes eran alentadoramente similares. Pasaron a visualizar el tejido animal extirpado - en este caso, la piel de cerdo - donde encontraron que el ultrasonido láser podía distinguir características más sutiles, como el límite entre el músculo, la grasa y el hueso.

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Finalmente, el equipo llevó a cabo los primeros experimentos de ultrasonido láser en humanos, utilizando un protocolo que fue aprobado por el Comité del MIT sobre el Uso de Humanos como Sujetos Experimentales. Después de escanear los antebrazos de varios voluntarios sanos, los investigadores produjeron las primeras imágenes de ultrasonido láser sin contacto de un humano. La grasa, el músculo, y los límites del tejido son claramente visibles y comparables a las imágenes generadas usando sondas de ultrasonido comerciales, basadas en el contacto.

Los investigadores planean mejorar su técnica, y están buscando maneras de aumentar el desempeño del sistema para resolver características finas en el tejido. También están buscando afinar las capacidades del láser de detección. Más adelante, esperan miniaturizar la configuración del láser, de modo que el ultrasonido láser pueda algún día ser desplegado como un dispositivo portátil.

"Puedo imaginarme un escenario en el que usted sea capaz de hacer esto en el hogar", dice Anthony. "Cuando me levanto por la mañana, puedo obtener una imagen de mi tiroides o arterias, y puedo tener una imagen fisiológica en casa dentro de mi cuerpo. Podría imaginarme desplegando esto en el ambiente para obtener una comprensión de su estado interno".

Esta investigación fue apoyada en parte por el Programa de Línea Biomédica del Laboratorio Lincoln del MIT para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y por el Programa de Investigación de Medicina Operacional Militar del Comando de Material e Investigación Médica del Ejército de los Estados Unidos.

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