Voor de meeste mensen, het krijgen van een echografie is een relatief eenvoudige procedure:als een technicus zachtjes een sonde tegen de huid van een patiënt drukt, geluidsgolven die door de sonde worden gegenereerd, reizen door de huid, stuiteren op spieren, vet, en andere zachte weefsels voordat ze terugkaatsen naar de sonde, die de golven detecteert en vertaalt in een beeld van wat eronder ligt.

Conventionele echografie stelt patiënten niet bloot aan schadelijke straling zoals röntgen- en CT-scanners, en het is over het algemeen niet-invasief. Maar het vereist wel contact met het lichaam van een patiënt, en als zodanig, kan beperkend zijn in situaties waarin clinici een beeld willen hebben van patiënten die de sonde niet goed verdragen, zoals baby's, slachtoffers van brandwonden, of andere patiënten met een gevoelige huid. Verder, contact met ultrasone sondes veroorzaakt aanzienlijke beeldvariabiliteit, wat een grote uitdaging is in moderne ultrasone beeldvorming.

Nutsvoorzieningen, MIT-ingenieurs hebben een alternatief bedacht voor conventionele echografie waarbij geen contact met het lichaam nodig is om in een patiënt te kunnen kijken. De nieuwe laserechografie maakt gebruik van een oog- en huidveilig lasersysteem om op afstand de binnenkant van een persoon in beeld te brengen. Wanneer getraind op de huid van een patiënt, één laser genereert op afstand geluidsgolven die door het lichaam stuiteren. Een tweede laser detecteert op afstand de gereflecteerde golven, die onderzoekers vervolgens vertalen in een beeld dat lijkt op conventionele echografie.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd door Natuur in het journaal Licht:wetenschap en toepassingen , het team meldt dat het de eerste laser-echografiebeelden bij mensen heeft gegenereerd. De onderzoekers scanden de onderarmen van verschillende vrijwilligers en observeerden gemeenschappelijke weefselkenmerken zoals spieren, vet, en been, tot ongeveer 6 centimeter onder de huid. deze afbeeldingen, vergelijkbaar met conventionele echografie, werden geproduceerd met behulp van lasers op afstand gericht op een vrijwilliger van een halve meter afstand.

"We staan ​​aan het begin van wat we zouden kunnen doen met laser-echografie, " zegt Brian W. Anthony, een hoofdonderzoeker bij het MIT's Department of Mechanical Engineering en Institute for Medical Engineering and Science (IMES), een senior auteur op het papier. "Stel je voor dat we op een punt komen waarop we alles kunnen doen wat echografie nu kan, maar op afstand. Dit geeft je een geheel nieuwe manier om organen in het lichaam te zien en eigenschappen van diep weefsel te bepalen, zonder contact te maken met de patiënt."

Anthony's co-auteurs op het papier zijn hoofdauteur en MIT-postdoc Xiang (Shawn) Zhang, recent gepromoveerd Jonathan Fincke, samen met Charles Wynn, Matthijs Johnson, en Robert Haupt van MIT's Lincoln Laboratory.

Schreeuwen in een kloof - met een zaklamp

In recente jaren, onderzoekers hebben op laser gebaseerde methoden onderzocht voor ultrasone excitatie in een veld dat bekend staat als fotoakoestiek. In plaats van rechtstreeks geluidsgolven het lichaam in te sturen, het idee is om licht te sturen, in de vorm van een gepulseerde laser afgestemd op een bepaalde golflengte, die de huid binnendringt en wordt opgenomen door bloedvaten.

De bloedvaten zetten snel uit en ontspannen zich - onmiddellijk verwarmd door een laserpuls en vervolgens snel door het lichaam afgekoeld tot hun oorspronkelijke grootte - om vervolgens opnieuw te worden getroffen door een nieuwe lichtpuls. De resulterende mechanische trillingen genereren geluidsgolven die weer omhoog gaan, waar ze kunnen worden gedetecteerd door transducers die op de huid worden geplaatst en worden vertaald in een fotoakoestisch beeld.

Terwijl fotoakoestiek lasers gebruikt om op afstand interne structuren te onderzoeken, de techniek vereist nog steeds een detector in direct contact met het lichaam om de geluidsgolven op te vangen. Bovendien, licht kan slechts een korte afstand in de huid reizen voordat het vervaagt. Als resultaat, andere onderzoekers hebben fotoakoestiek gebruikt om bloedvaten net onder de huid in beeld te brengen, maar niet veel dieper.

Omdat geluidsgolven verder het lichaam in gaan dan licht, Zhang, Antonius, en hun collega's zochten naar een manier om het licht van een laserstraal om te zetten in geluidsgolven aan de oppervlakte van de huid, om dieper in het lichaam te verbeelden.

Op basis van hun onderzoek, het team selecteerde 1, 550 nanometer lasers, een golflengte die sterk door water wordt geabsorbeerd (en oog- en huidveilig is met een grote veiligheidsmarge). Aangezien de huid in wezen uit water bestaat, het team redeneerde dat het dit licht efficiënt moest absorberen, en als reactie opwarmen en uitzetten. Terwijl het terug oscilleert naar zijn normale toestand, de huid zelf zou geluidsgolven moeten produceren die zich door het lichaam voortplanten.

De onderzoekers testten dit idee met een laseropstelling, met behulp van één gepulseerde laser ingesteld op 1, 550 nanometer om geluidsgolven te genereren, en een tweede continue laser, afgestemd op dezelfde golflengte, om gereflecteerde geluidsgolven op afstand te detecteren. Deze tweede laser is een gevoelige bewegingsdetector die trillingen meet op het huidoppervlak veroorzaakt door de geluidsgolven die weerkaatsen op spieren, vet, en andere weefsels. Beweging van het huidoppervlak, gegenereerd door de gereflecteerde geluidsgolven, veroorzaakt een verandering in de frequentie van de laser, die kan worden gemeten. Door de lasers mechanisch over het lichaam te scannen, wetenschappers kunnen op verschillende locaties data verzamelen en een beeld van de regio genereren.

"Het is alsof we constant de Grand Canyon in schreeuwen terwijl we langs de muur lopen en op verschillende locaties luisteren, "zegt Anthony. "Dat geeft je dan genoeg gegevens om de geometrie te achterhalen van alle dingen binnenin waar de golven tegen weerkaatsten - en het schreeuwen gebeurt met een zaklamp."

Beeldvorming in huis

De onderzoekers gebruikten de nieuwe opstelling voor het eerst om metalen objecten af ​​​​te beelden die zijn ingebed in een gelatinevorm die ongeveer lijkt op het watergehalte van de huid. Ze beeldden dezelfde gelatine af met behulp van een commerciële ultrasone sonde en ontdekten dat beide beelden bemoedigend vergelijkbaar waren. Ze gingen verder met het afbeelden van uitgesneden dierlijk weefsel - in dit geval varkenshuid - waar ze vonden dat laserechografie subtielere kenmerken kon onderscheiden, zoals de grens tussen spieren, vet, en been.

Eindelijk, het team voerde de eerste laser-echografie-experimenten uit bij mensen, met behulp van een protocol dat is goedgekeurd door de MIT-commissie voor het gebruik van mensen als experimentele proefpersonen. Na het scannen van de onderarmen van verschillende gezonde vrijwilligers, de onderzoekers maakten de eerste volledig contactloze laser-echografiebeelden van een mens. De dikke, spier, en weefselgrenzen zijn duidelijk zichtbaar en vergelijkbaar met afbeeldingen die zijn gegenereerd met commerciële, op contact gebaseerde ultrasone sondes.

De onderzoekers zijn van plan hun techniek te verbeteren, en ze zijn op zoek naar manieren om de prestaties van het systeem te verbeteren om fijne kenmerken in het weefsel op te lossen. Ze willen ook de mogelijkheden van de detectielaser aanscherpen. Verderop op de weg, ze hopen de laseropstelling te miniaturiseren, zodat laser-echografie ooit als draagbaar apparaat kan worden ingezet.

"Ik kan me een scenario voorstellen waarin je dit thuis kunt doen, " zegt Anthony. "Als ik 's morgens opsta, Ik kan een beeld krijgen van mijn schildklier of slagaders, en kan in-home fysiologische beeldvorming in mijn lichaam hebben. Je zou je kunnen voorstellen dit in de omgeving te gebruiken om inzicht te krijgen in je interne toestand."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.