Per la maggior parte delle persone, ottenere un’ecografia è una procedura relativamente semplice: poiché un tecnico preme delicatamente una sonda contro la pelle di un paziente, le onde sonore generate dalla sonda viaggiano attraverso la pelle, facendo rimbalzare muscoli, grasso e altri tessuti molli prima di riflettere la sonda, che rileva e traduce le onde in un’immagine di ciò che si trova sotto.
Gli ultrasuoni convenzionali non espongono i pazienti a radiazioni dannose come fanno gli scanner a raggi X e CT, 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 immaginare pazienti che non tollerano bene la sonda, come neonati, ustionati o altri pazienti con pelle sensibile. Inoltre, il contatto con la sonda a ultrasuoni induce una significativa variabilità dell’immagine, che rappresenta una grande sfida 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 l’immagine a distanza dell’interno di una persona. Quando viene allenato sulla pelle di un paziente, un laser genera in remoto onde sonore che rimbalzano attraverso il corpo. Un secondo laser rileva in remoto le onde riflesse, che i ricercatori traducono quindi in un’immagine simile agli ultrasuoni convenzionali.
In un articolo pubblicato oggi da Nature sulla rivista Light: Science and Applications, il team riferisce di aver generato le prime immagini ad ultrasuoni laser nell’uomo. I ricercatori hanno scansionato gli avambracci di diversi volontari e hanno osservato le caratteristiche comuni dei tessuti come muscoli, grasso e ossa, fino a circa 6 centimetri sotto la pelle. Queste immagini, paragonabili agli ultrasuoni convenzionali, sono state prodotte utilizzando laser remoti focalizzati su un volontario a mezzo metro di distanza.
“Siamo all’inizio di ciò che potremmo fare con l’ecografia laser”, afferma Brian W. Anthony, uno dei principali ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Istituto di Ingegneria Medica e Scienza (IMES) del MIT, autore senior del documento. “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 primi concetti per l’ecografia laser senza contatto per l’imaging medico sono nati da un programma del Lincoln Laboratory istituito da Rob Haupt dell’Active Optical Systems Group e Chuck Wynn dell’Advanced Capabilities and Technologies Group, co-autori del nuovo documento insieme a Matthew Johnson. Da lì, la ricerca è cresciuta grazie alla collaborazione con Anthony e i suoi studenti, Xiang Zhang, che ora è un postdoc del MIT ed è il primo autore del documento, e il recente dottorando Jonathan Fincke, che è anche coautore. Il progetto ha combinato l’esperienza dei ricercatori del Lincoln Laboratory nei sistemi laser e ottici con l’esperienza del gruppo Anthony con sistemi avanzati a ultrasuoni e ricostruzione di immagini mediche.
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno esplorato metodi basati sul laser per l’eccitazione degli ultrasuoni in un campo noto come fotoacustica. Invece di inviare direttamente le onde sonore nel corpo, l’idea è quella di inviare 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 – istantaneamente riscaldati da un impulso laser e poi rapidamente raffreddati dal corpo alle loro dimensioni originali – solo per essere colpiti di nuovo da un altro impulso luminoso. Le vibrazioni meccaniche risultanti generano onde sonore che risalgono verso l’alto, dove possono essere rilevate dai trasduttori posizionati sulla pelle e tradotti in un’immagine fotoacustica.
Mentre la fotoacustica utilizza i laser per sondare da remoto le strutture interne, la tecnica richiede comunque un rivelatore a contatto diretto con il corpo per raccogliere le onde sonore. Inoltre, la luce può viaggiare solo a breve distanza nella pelle prima di svanire. Di conseguenza, altri ricercatori hanno usato la fotoacustica per immaginare i vasi sanguigni appena sotto la pelle, ma non molto più in profondità.
Poiché le onde sonore viaggiano più nel corpo della luce, Zhang, Anthony e i loro colleghi hanno cercato un modo per convertire la luce di un raggio laser in onde sonore sulla superficie della pelle, al fine di immagini più profonde nel corpo.
Sulla base delle loro ricerche, il team ha selezionato laser a 1.550 nanometri, una lunghezza d’onda che è altamente assorbita dall’acqua. Poiché la pelle è essenzialmente composta da acqua, il team ha pensato che dovrebbe assorbire efficacemente questa luce e riscaldarsi ed espandersi in risposta. Mentre oscilla 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 set laser pulsato a 1.550 nanometri per generare onde sonore e un secondo laser continuo, sintonizzato sulla stessa lunghezza d’onda, per rilevare in remoto 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 su muscoli, grasso e altri tessuti. Il 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 diverse posizioni e generare un’immagine della regione.
“È come urlare costantemente nel Grand Canyon mentre camminiamo lungo il muro e ascoltiamo in luoghi diversi”, afferma Anthony. “Questo ti dà quindi dati sufficienti per capire la geometria di tutte le cose dentro cui le onde rimbalzavano – e l’urlo è fatto con una torcia.”
I ricercatori hanno usato per la prima volta la nuova configurazione per immagini di oggetti metallici incorporati in uno stampo di gelatina che assomiglia più o meno 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. Passarono all’immagine del tessuto animale asportato – in questo caso, la pelle di maiale – dove trovarono l’ecografia laser in grado di distinguere le caratteristiche più sottili, come il confine tra muscolo, grasso e ossa.
Infine, il team ha condotto i primi esperimenti di ultrasuono laser sull’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. I confini di grasso, muscolo e tessuto sono chiaramente visibili e paragonabili alle immagini generate utilizzando sonde ecografiche commerciali a contatto.
I ricercatori hanno in programma di migliorare la loro tecnica e sono alla ricerca di modi per migliorare le prestazioni del sistema per risolvere le belle caratteristiche del tessuto. Stanno anche cercando di affinare le capacità del laser di rilevamento. Più avanti, sperano di miniaturizzare la configurazione laser, in modo che un giorno gli ultrasuoni laser possano essere implementati come dispositivi portatili.
“Posso immaginare uno scenario in cui sei in grado di farlo in casa”, afferma Anthony. “Quando mi alzo la mattina, riesco a ottenere un’immagine della mia tiroide o delle arterie e posso avere l’imaging fisiologico a casa all’interno del mio corpo. Potresti immaginare di implementarlo nell’ambiente circostante per comprendere il tuo stato interno.”
