Forskere producerer de første laser ultralydsbilleder af mennesker

For de fleste mennesker, at få en ultralyd er en forholdsvis nem procedure:Da en tekniker forsigtigt trykker en sonde mod en patients hud, lydbølger genereret af sonden bevæger sig gennem huden, hoppe af muskler, fed, og andet blødt væv, før det reflekteres tilbage til sonden, som registrerer og omsætter bølgerne til et billede af det, der ligger under.

Konventionel ultralyd udsætter ikke patienter for skadelig stråling, som røntgen- og CT-scannere gør, og det er generelt ikke-invasivt. Men det kræver kontakt med en patients krop, og som sådan, kan være begrænsende i situationer, hvor klinikere måske ønsker at afbilde patienter, der ikke tolererer sonden godt, såsom babyer, brændeofre, eller andre patienter med følsom hud. Desuden, ultralydssondekontakt inducerer betydelig billedvariabilitet, hvilket er en stor udfordring i moderne ultralydsbilleddannelse.

Nu, MIT-ingeniører har fundet frem til et alternativ til konventionel ultralyd, der ikke kræver kontakt med kroppen for at se inde i en patient. Den nye laser-ultralydsteknik udnytter et øje- og hudsikkert lasersystem til fjernafbildning af en persons indre. Når de trænes på en patients hud, en laser fjerngenererer lydbølger, der hopper gennem kroppen. En anden laser fjernregistrerer de reflekterede bølger, som forskere derefter oversætter til et billede, der ligner konventionel ultralyd.

I et papir offentliggjort i dag af Natur i journalen Lys:Videnskab og applikationer , holdet rapporterer at generere de første laser ultralydsbilleder hos mennesker. Forskerne scannede underarmene på flere frivillige og observerede almindelige vævstræk såsom muskler, fed, og knogler, ned til omkring 6 centimeter under huden. Disse billeder, sammenlignes med konventionel ultralyd, blev produceret ved hjælp af fjernlasere fokuseret på en frivillig på en halv meters afstand.

"Vi er i begyndelsen af, hvad vi kunne gøre med laser ultralyd, " siger Brian W. Anthony, en hovedforsker i MIT's afdeling for maskinteknik og Institut for Medicinsk Teknik og Videnskab (IMES), en seniorforfatter på papiret. "Forestil dig, at vi kommer til et punkt, hvor vi kan gøre alt, hvad ultralyd kan gøre nu, men på afstand. Dette giver dig en helt ny måde at se organer inde i kroppen og bestemme egenskaber af dybt væv, uden at komme i kontakt med patienten."

Anthonys medforfattere på papiret er hovedforfatter og MIT postdoc Xiang (Shawn) Zhang, nyuddannet doktor Jonathan Fincke, sammen med Charles Wynn, Matthew Johnson, og Robert Haupt fra MIT's Lincoln Laboratory.

Råber ind i en kløft - med en lommelygte

I de seneste år, forskere har udforsket laserbaserede metoder til ultralydsexcitation inden for et felt kendt som fotoakustik. I stedet for direkte at sende lydbølger ind i kroppen, ideen er at sende lys ind, i form af en pulserende laser indstillet til en bestemt bølgelængde, der trænger ind i huden og absorberes af blodkarrene.

Blodkarrene udvider sig hurtigt og slapper af - øjeblikkeligt opvarmet af en laserpuls og derefter hurtigt afkølet af kroppen tilbage til deres oprindelige størrelse - for kun at blive ramt igen af ​​en anden lysimpuls. De resulterende mekaniske vibrationer genererer lydbølger, der rejser tilbage op, hvor de kan detekteres af transducere placeret på huden og oversat til et fotoakustisk billede.

Mens fotoakustik bruger lasere til at fjernsondere interne strukturer, teknikken kræver stadig en detektor i direkte kontakt med kroppen for at opfange lydbølgerne. Hvad mere er, lys kan kun rejse et kort stykke ind i huden, før det forsvinder. Som resultat, andre forskere har brugt fotoakustik til at afbilde blodkar lige under huden, men ikke meget dybere.

Da lydbølger bevæger sig længere ind i kroppen end lys, Zhang, Anthony, og deres kolleger ledte efter en måde at konvertere en laserstråles lys til lydbølger på overfladen af ​​huden, for at få et billede dybere i kroppen.

Baseret på deres forskning, holdet valgte 1, 550 nanometer lasere, en bølgelængde, som er stærkt absorberet af vand (og er øjen- og hudsikker med en stor sikkerhedsmargin). Da huden hovedsageligt består af vand, holdet begrundede, at det effektivt skulle absorbere dette lys, og varme op og udvide som svar. Når den svinger tilbage til sin normale tilstand, huden selv skal producere lydbølger, der forplanter sig gennem kroppen.

Forskerne testede denne idé med en laseropsætning, ved at bruge en pulserende laser indstillet til 1, 550 nanometer til at generere lydbølger, og en anden kontinuerlig laser, indstillet til samme bølgelængde, at fjerndetektere reflekterede lydbølger. Denne anden laser er en følsom bevægelsesdetektor, der måler vibrationer på hudoverfladen forårsaget af lydbølgerne, der hopper af muskler, fed, og andet væv. Bevægelse af hudoverfladen, genereret af de reflekterede lydbølger, forårsager en ændring i laserens frekvens, som kan måles. Ved mekanisk at scanne laserne over kroppen, videnskabsmænd kan indhente data på forskellige steder og generere et billede af regionen.

"Det er som om, vi konstant råber ind i Grand Canyon, mens vi går langs væggen og lytter forskellige steder, " siger Anthony. "Det giver dig så nok data til at finde ud af geometrien af ​​alle de ting indeni, som bølgerne hoppede imod - og råben udføres med en lommelygte."

Imaging i hjemmet

Forskerne brugte først den nye opsætning til at afbilde metalgenstande indlejret i en gelatineform, der omtrent ligner hudens vandindhold. De afbildede den samme gelatine ved hjælp af en kommerciel ultralydssonde og fandt, at begge billeder var opmuntrende ens. De gik videre til at afbilde udskåret dyrevæv - i dette tilfælde, grisehud - hvor de fandt, at laser ultralyd kunne skelne subtile træk, såsom grænsen mellem muskler, fed, og knogle.

Endelig, holdet udførte de første laser-ultralydseksperimenter på mennesker, ved hjælp af en protokol, der blev godkendt af MIT-udvalget for brug af mennesker som forsøgspersoner. Efter at have scannet underarmene på flere raske frivillige, forskerne producerede de første fuldstændig kontaktløse laser ultralydsbilleder af et menneske. Det fedt, muskel, og vævsgrænser er klart synlige og sammenlignelige med billeder genereret ved hjælp af kommercielle, kontaktbaserede ultralydsonder.

Forskerne planlægger at forbedre deres teknik, og de leder efter måder at booste systemets ydeevne for at løse fine funktioner i vævet. De søger også at finpudse detektionslaserens muligheder. Længere nede ad vejen, de håber at miniaturisere laseropsætningen, så laser-ultralyd en dag kan blive indsat som en bærbar enhed.

"Jeg kan forestille mig et scenarie, hvor du er i stand til at gøre dette i hjemmet, " siger Anthony. "Når jeg står op om morgenen, Jeg kan få et billede af min skjoldbruskkirtel eller arterier, og kan have fysiologisk billeddannelse i hjemmet inde i min krop. Du kunne forestille dig at implementere dette i det omgivende miljø for at få en forståelse af din interne tilstand."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.