Um novo scanner portátil desenvolvido por pesquisadores da UCL pode gerar imagens fotoacústicas 3D altamente detalhadas em apenas alguns segundos, abrindo caminho para seu uso em um ambiente clínico pela primeira vez e oferecendo o potencial para o diagnóstico precoce de doenças.
No estudo, publicado em Engenharia Biomédica da Natureza, a equipe mostra que sua tecnologia pode fornecer imagens de tomografia fotoacústica (PAT) aos médicos em tempo real, fornecendo-lhes imagens precisas e complexas dos vasos sanguíneos, ajudando a informar o atendimento ao paciente.
A tomografia fotoacústica usa ondas de ultrassom geradas por laser para visualizar mudanças sutis (um marcador precoce de doença) nas veias e artérias em escala inferior a um milímetro, com até 15 mm de profundidade nos tecidos humanos.
No entanto, até agora, a tecnologia PAT existente tem sido demasiado lenta para produzir imagens 3D de qualidade suficientemente elevada para utilização pelos médicos.
Durante uma varredura PAT, os pacientes devem estar completamente imóveis, o que significa que qualquer movimento durante uma varredura mais lenta pode causar desfoque nas imagens e, portanto, não garantir imagens clinicamente úteis.
Os scanners PAT mais antigos demoravam mais de cinco minutos para capturar uma imagem – ao reduzir esse tempo para alguns segundos ou menos, a qualidade da imagem é muito melhorada e muito mais adequada para pessoas frágeis ou debilitadas.
Os pesquisadores dizem que o novo scanner pode ajudar a diagnosticar câncer, doenças cardiovasculares e artrite dentro de três a cinco anos, sujeito a mais testes.
O autor correspondente, Professor Paul Beard (UCL Física Médica e Engenharia Biomédica e Centro Wellcome/EPSRC de Ciências Intervencionistas e Cirúrgicas), disse: “Percorremos um longo caminho com imagens fotoacústicas nos últimos anos, mas ainda havia barreiras ao uso isso na clínica.
“O avanço deste estudo é a aceleração do tempo de aquisição de imagens, que é entre 100 e 1.000 vezes mais rápido que os scanners anteriores.
“Essa velocidade evita o desfoque induzido pelo movimento, fornecendo imagens altamente detalhadas com uma qualidade que nenhum outro scanner pode oferecer. Isso também significa que, em vez de levar cinco minutos ou mais, as imagens podem ser adquiridas em tempo real, possibilitando a visualização dinâmica eventos fisiológicos.
“Esses avanços técnicos tornam o sistema adequado para uso clínico pela primeira vez, permitindo-nos observar aspectos da biologia humana e das doenças que não conseguíamos antes.
“Agora são necessárias mais pesquisas com grupos maiores de pacientes para confirmar nossas descobertas”.
O professor Beard acrescentou que um uso potencial importante para o novo scanner seria avaliar a artrite inflamatória, que exige a varredura de todas as articulações dos 20 dedos de ambas as mãos. Com o novo scanner, isso pode ser feito em poucos minutos – os scanners PAT mais antigos demoram quase uma hora, o que é muito tempo para pacientes idosos e frágeis, disse ele.
Testando o scanner em pacientes
No estudo, a equipe testou o scanner durante testes pré-clínicos em 10 pacientes com diabetes tipo 2, artrite reumatóide ou câncer de mama, juntamente com sete voluntários saudáveis.
Em três pacientes com diabetes tipo 2, o scanner foi capaz de produzir imagens 3D detalhadas da microvasculatura dos pés, destacando deformidades e alterações estruturais nos vasos. O scanner foi usado para visualizar a inflamação da pele associada ao câncer de mama.
Andrew Plumb, professor associado de imagens médicas da UCL e radiologista consultor da UCLH e autor sênior do estudo, disse: “Uma das complicações frequentemente sofridas por pessoas com diabetes é o baixo fluxo sanguíneo nas extremidades, como pés e parte inferior pernas, devido a danos nos pequenos vasos sanguíneos nessas áreas. Mas até agora não conseguimos ver exatamente o que está acontecendo para causar esse dano ou caracterizar como ele se desenvolve.
“Em um de nossos pacientes, pudemos ver vasos lisos e uniformes no pé esquerdo e vasos deformados e ondulados na mesma região do pé direito, indicativos de problemas que podem levar a danos nos tecidos no futuro. informações mais detalhadas para facilitar o diagnóstico precoce, bem como compreender melhor a progressão da doença de forma mais geral”.
Tomografia fotoacústica
Desde o seu desenvolvimento inicial em 2000, o PAT tem sido anunciado há muito tempo como tendo o potencial de revolucionar a nossa compreensão dos processos biológicos e melhorar a avaliação clínica do cancro e de outras doenças importantes.
Funciona por meio do efeito fotoacústico, que ocorre quando os materiais absorvem luz e produzem ondas sonoras.
Os scanners PAT funcionam disparando rajadas de laser muito curtas no tecido biológico. Parte dessa energia é absorvida, dependendo da cor do alvo, causando um ligeiro aumento no calor e na pressão que, por sua vez, gera uma leve onda de ultrassom contendo informações sobre o tecido. Todo o processo ocorre em apenas uma fração de segundo.
Em pesquisas anteriores, o que os físicos e engenheiros da UCL (liderados pelo Professor Beard) descobriram foi que a onda de ultrassom pode ser detectada usando luz.
No início dos anos 2000, eles foram pioneiros em um sistema em que uma onda sonora causa mudanças mínimas na espessura de um filme plástico fino, que pode ser medido usando um feixe de laser altamente sintonizado.
Os resultados revelaram estruturas de tecido nunca antes vistas.
Como o PAT poderia ajudar na detecção de doenças
Para algumas condições, como a doença vascular periférica (DVP), uma complicação do diabetes, os primeiros sinais de alterações em pequenos vasos sanguíneos indicativos da doença não podem ser vistos usando técnicas de imagem convencionais, como ressonância magnética.
Mas com as imagens PAT isso é possível – oferecendo potencial para tratamento antes que o tecido seja danificado e para evitar má cicatrização de feridas e amputação, diz o jornal. O PVD afecta mais de 25 milhões de indivíduos nos EUA e na Europa, acrescenta.
Da mesma forma, com o câncer, os tumores geralmente apresentam uma alta densidade de pequenos vasos sanguíneos que são pequenos demais para serem vistos com outras técnicas de imagem.
Nam Huynh, da UCL Medical Physics and Biomedical Engineering, que desenvolveu o scanner com o colega Dr. Edward Zhang, disse: “A imagem fotoacústica pode ser usada para detectar o tumor e monitorá-lo com relativa facilidade. Também pode ser usada para ajudar os cirurgiões de câncer a distinguir melhor tecido tumoral do tecido normal, visualizando os vasos sanguíneos no tumor, ajudando a garantir que todo o tumor seja removido durante a cirurgia e minimizando o risco de recorrência, posso imaginar muitas maneiras pelas quais isso será útil.”
Dr. Huynh acrescentou que uma das principais vantagens da tecnologia é que ela é sensível à hemoglobina. São moléculas que absorvem luz, como a hemoglobina, que produzem as ondas de ultrassom.
Melhorando e testando a velocidade do scanner
Neste estudo, os pesquisadores da UCL buscaram superar o problema da velocidade reduzindo o tempo necessário para aquisição das imagens. Eles conseguiram isso fazendo inovações no design do scanner e na matemática usada para gerar as imagens.
Ao contrário dos scanners PAT anteriores, que mediam as ondas de ultrassom em mais de 10.000 pontos diferentes na superfície do tecido, um de cada vez, o novo scanner detecta-as em vários pontos simultaneamente, reduzindo consideravelmente o tempo de aquisição de imagens.
A equipe de pesquisa também empregou princípios matemáticos semelhantes aos usados na compressão de imagens digitais. Isso permitiu que imagens de alta qualidade fossem reconstruídas a partir de alguns milhares (em vez de dezenas de milhares) de medições da onda de ultrassom, acelerando novamente a aquisição de imagens. Essas inovações reduziram o tempo de geração de imagens para alguns segundos ou menos de um segundo, eliminando o desfoque de movimento e permitindo a obtenção de imagens de alterações dinâmicas no tecido.
Os cientistas disseram que são necessárias mais pesquisas com um grupo maior de pacientes para confirmar as descobertas do estudo e até que ponto o scanner seria clinicamente útil na prática.
Os primeiros passos para desenvolver a tomografia fotoacústica para imagens médicas foram dados em 2000, mas as origens da técnica remontam a 1880, quando o ex-aluno da UCL Alexander Graham Bell, recém-inventado o telefone, observou a conversão da luz solar em som audível.
Em 2019, membros da equipe de pesquisa da UCL fundaram a DeepColor Imaging, uma empresa spin-out da UCL que agora comercializa uma variedade de scanners baseados na tecnologia PAT em todo o mundo.
Ligações
Dr. Matt Midgley
E: m.midgley [at] ucl.ac.uk