O nouă scanare 3D în culori creează imagini detaliate ale țesuturilor și vaselor sanguine fără radiații

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă de cercetători de la California Institute of Technology (Caltech) și University of Southern California (USC) a dezvoltat o metodă de imagistică care produce rapid imagini tridimensionale color, capabile să arate simultan structura țesutului moale și activitatea vaselor sanguine. Metoda, denumită RUS-PAT, combină tomografia rotativă cu ultrasunete (RUST) și tomografia fotoacustică (PAT) și a fost deja testată pe părți diferite ale corpului uman, potrivit unui studiu publicat în Nature Biomedical Engineering.

De ce instrumentele actuale nu sunt suficiente

Instrumentele de imagistică utilizate frecvent în clinică au avantaje și limitări bine cunoscute. Ecografia standard este rapidă, accesibilă și larg utilizată, dar oferă în general imagini bidimensionale ale formei țesutului și are o aria de vizualizare limitată. Pe de altă parte, imagistica fotoacustică furnizează informații de natură funcțională: laserul iluminează țesutul, moleculele care absorb lumina vibrează și generează unde acustice care pot fi detectate, permițând vizualizarea vaselor sanguine în culoare optică și observarea fluxului sanguin. Totuși, fotoacustica nu surprinde la fel de bine detaliile structurale ale țesutului.

Alte metode comune, precum tomografia computerizată (CT) și imagistica prin rezonanță magnetică (MRI), vin cu compromisuri: pot necesita agenți de contrast, expun pacienții la radiații ionizante, sunt costisitoare sau durează prea mult pentru a fi folosite frecvent. Prin urmare, pe măsură ce se caută alternative care să ofere atât informații structurale, cât și funcționale, combinarea tehnologiilor existente pare o direcție promițătoare.

RUS-PAT: combinarea ultrasunetelor și tomografiei fotoacustice

Echipa a conceput RUS-PAT (rotational ultrasound tomography, RUST, combined with photoacoustic tomography, PAT) pentru a valorifica punctele tari ale ambelor tehnologii. Fotoacustica a fost dezvoltată în urmă cu peste două decenii de Lihong Wang, care deține pozițiile de Bren Professor of Medical Engineering and Electrical Engineering și Andrew and Peggy Cherng Medical Engineering Leadership Chair la Caltech. În PAT, moleculele din țesut care absorb lumina generează semnale acustice la expunerea la impulsuri laser scurte; aceste semnale pot fi măsurate și convertite în imagini detaliate.

Scopul proiectului a fost să îmbine avantajele imagisticii cu ultrasunete și ale fotoacusticii, păstrând în același timp un design practic și accesibil pentru utilizarea clinică. „Nu este doar un plus unu”, a explicat Lihong Wang, subliniind că integrarea celor două tehnologii a cerut soluții optimizate dincolo de simpla suprapunere a metodelor.

O abordare mai simplă și mai practică în proiectare

Sisteme tradiționale de ecografie folosesc un număr mare de transductoare pentru a emite și recepționa unde sonore, ceea ce complică integrarea directă cu imagistica fotoacustică și ar face soluția costisitoare pentru uz larg. În contrast, fotoacustica necesită doar detectarea semnalelor acustice, ceea ce a condus la o idee nouă: dacă în fotoacustică lumina extinde semnalele acustice în țesut, oare nu se poate imita această excitație luminoasă cu ajutorul ultrasunetelor?

Pornind de la această observație, Wang a propus utilizarea unui transductor cu câmp larg care să trimită valuri sonore prin țesut; aceleași detectoare pot apoi măsura semnalele generate atât de excitația ultrasonică, cât și de semnalele fotoacustice. În configurația finală, sistemul folosește un număr redus de detectoare arcuite care se rotesc în jurul unui punct central, echivalând practic cu un detector hemisferic complet, dar cu un design mult mai simplu și mai puțin costisitor.

Principalele rezultate experimentale și capacități

Sistemul RUS-PAT produce imagini 3D color ce arată structura țesutului și semnalele vasculare într-un singur scan. Fiecare scanare RUS-PAT durează mai puțin de un minut, iar metoda poate penetra țesuturi la aproximativ 4 centimetri adâncime. De asemenea, există posibilitatea de a livra lumina utilizând instrumente endoscopice, ceea ce ar putea permite accesul la zone mai profunde ale corpului.

În configurația actuală, transductoarele cu ultrasunete și laserul sunt plasate sub o masă de scanare, iar sistemul a fost deja utilizat pe voluntari umani și pacienți în testări inițiale. Aceste demonstrații timpurii indică fezabilitatea aplicării clinice a metodei în mai multe contexte medicale.

Aplicații clinice potențiale

Autorii studiului subliniază câteva domenii în care RUS-PAT ar putea aduce îmbunătățiri semnificative. În imagistica pentru cancerul de sân, tehnica ar putea ajuta la localizarea precisă a tumorii, oferind în același timp informații despre activitatea biologică a acesteia. În cazul pacienților cu neuropatie diabetică, metoda ar putea permite monitorizarea structurii nervoase împreună cu alimentarea cu oxigen a țesutului într-un singur examen. De asemenea, există un potențial în cercetarea creierului, unde cercetătorii ar putea studia simultan anatomia cerebrală și dinamica fluxului sanguin.

Fezabilitate pentru utilizarea umană și declarații ale cercetătorilor

Dr. Charles Y. Liu, coautor al studiului și visiting associate în biologie și inginerie biologică la Caltech, a explicat importanța combinației: „Noua combinație de tehnici acustice și fotoacustice abordează multe dintre limitările cheie ale tehnicilor de imagistică medicală utilizate în prezent în practica clinică și, important, fezabilitatea pentru aplicarea umană a fost demonstrată aici în multiple contexte.”

Liu este, de asemenea, profesor la Keck School of Medicine of USC, director al USC Neurorestoration Center și șef de neurochirurgie la Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center. Comentariile sale subliniază atât potențialul științific, cât și interesul clinic pentru o tehnologie care poate combina informațiile structurale și funcționale din aceeași examinare.

Echipă de cercetare, detalii ale studiului și finanțare

Paperul publicat se intitulează „Rotational ultrasound and photoacoustic tomography of the human body.” Coautorii conducători ai lucrării sunt Yang Zhang, Shuai Na și Dr. Jonathan J. Russin. Zhang și Na au efectuat munca ca cercetători postdoctorali la Caltech și sunt în prezent bazați la Tsinghua University și, respectiv, Peking University în Beijing. Russin este afiliat cu Keck School of Medicine of USC și Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center în Downey, California.

Alți contribuitori din cadrul Caltech includ Karteekeya Sastry, Li Lin (PhD ’20), Junfu Zheng, Yilin Luo, Xin Tong (MS ’21), Yujin An, Peng Hu (PhD ’23) și fostul cercetător științific Konstantin Maslov. Li Lin este în prezent la Zhejiang University în Hangzhou, China. Dr. Tze-Woei Tan de la Keck School of Medicine of USC este, de asemenea, coautor. Studiul a fost finanțat de National Institutes of Health.

Context științific și importanță

Abordarea descrisă de cercetători urmărește să aducă laolaltă două modalități de imagistică care oferă perspective complementare asupra corpului uman: ultrasunetele pentru detalii structurale și fotoacustica pentru semnale funcționale legate de vasculatură și oxigenare. Designul mai simplu al detectorilor, care folosește un număr redus de elemente arcuite ce se rotesc în jurul unui punct central, oferă un echilibru între complexitate, cost și performanță. Această arhitectură reproduce efectiv un detector hemisferic complet, dar păstrează simplitatea necesară pentru transpunerea metodei în contexte clinice reale.

În plus, faptul că fiecare scan durează mai puțin de un minut și că metoda nu implică radiații ionizante sau nevoia de agenți de contrast o face atractivă pentru examene repetate, monitorizarea tratamentelor și examinări la scară largă, atunci când este comparată cu opțiuni precum CT sau MRI.

Limitări actuale și direcții viitoare

În prezent, metoda oferă imagistică până la aproximativ 4 centimetri adâncime, ceea ce acoperă multe aplicații superficiale și sub-superficiale ale imagisticii medicale. Pentru regiuni mai profunde, echipa notează posibilitatea utilizării livrării de lumină prin instrumente endoscopice, ceea ce ar putea extinde aria de aplicare a tehnicii. De asemenea, tranziția de la teste pe voluntari și pacienți la implementarea clinică largă va necesita evaluări continue ale performanței, validarea comparativă cu standardele clinice și optimizări tehnice suplimentare.

Publicarea în Nature Biomedical Engineering și detaliile tehnice din lucrare oferă o bază de referință pentru alte grupuri de cercetare care doresc să exploreze sau să adapteze conceptul pentru aplicații specifice medicale.

Materialele oficiale ale Caltech care însoțesc anunțul oferă context suplimentar despre modul în care tehnologia aduce „culoare optică” ecografiei, prin integrarea semnalelor fotoacustice cu datele structurale obținute ultrasonic. Pentru referințe directe, articolul poate fi consultat în versiunea publicată și prin DOI-ul asociat studiului: 10.1038/s41551-025-01603-5, iar prezentarea pe ScienceDaily este disponibilă la ScienceDaily.

Prin combinarea rapidă a informatiei structurale și functionale, RUS-PAT propune un mod de a privi interiorul corpului într-o manieră mai bogată din punct de vedere vizual și informațional, menținând în același timp un profil de siguranță avantajos pentru utilizarea repetată în mediul clinic.