Pour la plupart des gens, obtenir une échographie est une procédure relativement facile :lorsqu'un technicien appuie doucement une sonde contre la peau d'un patient, les ondes sonores générées par la sonde traversent la peau, rebondir sur les muscles, gros, et d'autres tissus mous avant de réfléchir à la sonde, qui détecte et traduit les ondes en une image de ce qui se trouve en dessous.

L'échographie conventionnelle n'expose pas les patients à des radiations nocives comme le font les scanners à rayons X et CT, et il est généralement non invasif. Mais cela nécessite un contact avec le corps du patient, et en tant que tel, peut être limitant dans les situations où les cliniciens peuvent vouloir imager des patients qui ne tolèrent pas bien la sonde, comme les bébés, victimes de brûlures, ou d'autres patients ayant la peau sensible. Par ailleurs, le contact de la sonde ultrasonore induit une variabilité d'image importante, qui est un défi majeur dans l'imagerie échographique moderne.

Maintenant, Les ingénieurs du MIT ont mis au point une alternative aux ultrasons conventionnels qui ne nécessitent pas de contact avec le corps pour voir à l'intérieur d'un patient. La nouvelle technique d'échographie laser utilise un système laser sans danger pour les yeux et la peau pour imager à distance l'intérieur d'une personne. Lorsqu'il est entraîné sur la peau d'un patient, un laser génère à distance des ondes sonores qui rebondissent à travers le corps. Un deuxième laser détecte à distance les ondes réfléchies, que les chercheurs traduisent ensuite en une image similaire à l'échographie conventionnelle.

Dans un article publié aujourd'hui par La nature dans la revue Lumière :science et applications , l'équipe rapporte avoir généré les premières images ultrasonores laser chez l'homme. Les chercheurs ont scanné les avant-bras de plusieurs volontaires et observé des caractéristiques communes des tissus telles que les muscles, gros, et os, jusqu'à environ 6 centimètres sous la peau. Ces images, comparable à l'échographie conventionnelle, ont été produites à l'aide de lasers à distance focalisés sur un volontaire à un demi-mètre de distance.

"Nous sommes au début de ce que nous pourrions faire avec les ultrasons laser, " dit Brian W. Anthony, chercheur principal au département de génie mécanique du MIT et à l'institut d'ingénierie et de sciences médicales (IMES), un auteur principal sur le papier. "Imaginez que nous arrivions à un point où nous pouvons faire tout ce que les ultrasons peuvent faire maintenant, mais à distance. Cela vous donne une toute nouvelle façon de voir les organes à l'intérieur du corps et de déterminer les propriétés des tissus profonds, sans entrer en contact avec le patient."

Les co-auteurs d'Anthony sur l'article sont l'auteur principal et postdoctorant du MIT Xiang (Shawn) Zhang, récent doctorant Jonathan Fincke, avec Charles Wynn, Matthieu Johnson, et Robert Haupt du Lincoln Laboratory du MIT.

Crier dans un canyon - avec une lampe de poche

Dans les années récentes, les chercheurs ont exploré les méthodes laser d'excitation ultrasonore dans un domaine connu sous le nom de photoacoustique. Au lieu d'envoyer directement des ondes sonores dans le corps, l'idée est d'envoyer de la lumière, sous la forme d'un laser pulsé accordé à une longueur d'onde particulière, qui pénètre dans la peau et est absorbé par les vaisseaux sanguins.

Les vaisseaux sanguins se dilatent et se détendent rapidement - instantanément chauffés par une impulsion laser puis rapidement refroidis par le corps pour revenir à leur taille d'origine - pour être à nouveau frappés par une autre impulsion lumineuse. Les vibrations mécaniques qui en résultent génèrent des ondes sonores qui remontent, où ils peuvent être détectés par des transducteurs placés sur la peau et traduits en une image photoacoustique.

Alors que la photoacoustique utilise des lasers pour sonder à distance les structures internes, la technique nécessite encore un détecteur en contact direct avec le corps afin de capter les ondes sonores. Quoi de plus, la lumière ne peut parcourir qu'une courte distance dans la peau avant de disparaître. Par conséquent, d'autres chercheurs ont utilisé la photoacoustique pour imager les vaisseaux sanguins juste sous la peau, mais pas beaucoup plus profond.

Puisque les ondes sonores voyagent plus loin dans le corps que la lumière, Zhang, Antoine, et leurs collègues ont cherché un moyen de convertir la lumière d'un faisceau laser en ondes sonores à la surface de la peau, afin d'imager plus profondément dans le corps.

Sur la base de leurs recherches, l'équipe sélectionnée 1, lasers de 550 nanomètres, une longueur d'onde qui est fortement absorbée par l'eau (et est sans danger pour les yeux et la peau avec une grande marge de sécurité). La peau étant essentiellement composée d'eau, l'équipe a estimé qu'elle devrait absorber efficacement cette lumière, et se réchauffer et se dilater en réponse. Lorsqu'il revient à son état normal, la peau elle-même devrait produire des ondes sonores qui se propagent à travers le corps.

Les chercheurs ont testé cette idée avec une configuration laser, à l'aide d'un laser pulsé réglé à 1, 550 nanomètres pour générer des ondes sonores, et un deuxième laser continu, réglé sur la même longueur d'onde, pour détecter à distance les ondes sonores réfléchies. Ce deuxième laser est un détecteur de mouvement sensible qui mesure les vibrations à la surface de la peau causées par les ondes sonores rebondissant sur les muscles, gros, et d'autres tissus. Mouvement de la surface de la peau, généré par les ondes sonores réfléchies, provoque une modification de la fréquence du laser, qui peut être mesuré. En balayant mécaniquement les lasers sur le corps, les scientifiques peuvent acquérir des données à différents endroits et générer une image de la région.

"C'est comme si nous criions constamment dans le Grand Canyon tout en marchant le long du mur et en écoutant à différents endroits, " dit Anthony. " Cela vous donne alors suffisamment de données pour comprendre la géométrie de toutes les choses à l'intérieur contre lesquelles les vagues ont rebondi - et le cri est fait avec une lampe de poche. "

Imagerie à domicile

Les chercheurs ont d'abord utilisé la nouvelle configuration pour imager des objets métalliques intégrés dans un moule en gélatine ressemblant à peu près à la teneur en eau de la peau. Ils ont imagé la même gélatine à l'aide d'une sonde à ultrasons commerciale et ont trouvé que les deux images étaient similaires de manière encourageante. Ils sont passés à l'image du tissu animal excisé - dans ce cas, peau de porc - où ils ont découvert que les ultrasons laser pouvaient distinguer des caractéristiques plus subtiles, comme la frontière entre le muscle, gros, et l'os.

Finalement, l'équipe a réalisé les premières expériences d'ultrasons laser chez l'homme, en utilisant un protocole qui a été approuvé par le Comité du MIT sur l'utilisation des humains comme sujets expérimentaux. Après avoir scanné les avant-bras de plusieurs volontaires sains, les chercheurs ont produit les premières images ultrasonores laser entièrement sans contact d'un humain. La graisse, muscle, et les limites des tissus sont clairement visibles et comparables aux images générées à l'aide de publicités, sondes à ultrasons à contact.

Les chercheurs prévoient d'améliorer leur technique, et ils recherchent des moyens d'améliorer les performances du système pour résoudre les caractéristiques fines des tissus. Ils cherchent également à perfectionner les capacités du laser de détection. Plus loin sur la route, ils espèrent miniaturiser la configuration laser, afin que les ultrasons laser puissent un jour être déployés en tant qu'appareil portable.

« Je peux imaginer un scénario où vous pouvez faire cela à la maison, " dit Anthony. " Quand je me lève le matin, Je peux obtenir une image de ma thyroïde ou de mes artères, et peut avoir une imagerie physiologique à domicile à l'intérieur de mon corps. Vous pouvez imaginer le déployer dans l'environnement ambiant pour comprendre votre état interne."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.