Pesquisadores desenvolvem nova técnica de imagem de modalidade dupla e de baixo custo para facilitar a detecção precoce de doenças

O diagnóstico por imagem é indispensável na área da saúde, pois permite que os médicos detectem e diagnostiquem uma variedade de condições médicas. Apesar dos avanços significativos na tecnologia de imagem, no entanto, as técnicas de imagem única existentes geralmente não atendem a todos os cenários de diagnóstico, o que leva a uma maior dependência de vários tipos de imagem e a custos mais altos de assistência médica.

Em resposta a esse desafio, os pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana Champaign desenvolveram uma técnica de imagem de dupla modalidade que não apenas fornece informações de diagnóstico abrangentes, mas também fornece uma solução econômica para os profissionais de saúde.

A ultrassonografia (US) é uma ferramenta de diagnóstico prevalente e amplamente empregada na área da saúde. No entanto, é limitado pela baixa qualidade da imagem e muitas vezes deve ser combinado com métodos de imagem de maior qualidade e mais caros, como a ressonância magnética. Para melhorar a imagem dos EUA, os professores assistentes de engenharia elétrica e de computação Yun-Sheng Chen e Yang Zhao, juntamente com o aluno de pós-graduação da ECE Shensheng Zhao, imagens fotoacústicas (PA) integradas, imagens de ultrassom de super-resolução e um método de otimização com restrição de esparsidade para criar um técnica de imagem médica de super-resolução e dupla modalidade. Esta nova pesquisa, “Hybrid Photoacoustic and Fast Super-Resolution Ultrasound Imaging”, foi publicada recentemente na Natureza Comunicações.

Zhao destaca que esta nova ferramenta de imagem apresenta “mais acessibilidade, portabilidade e economia. Esta técnica é significativamente mais barata do que as técnicas de imagem médica clínica, ao mesmo tempo em que oferece funções semelhantes”.

As técnicas de imagem tradicionais são mais eficazes na identificação de doenças quando um paciente apresenta alterações estruturais em seus órgãos. Infelizmente, quando essas mudanças se tornam aparentes, a doença já progrediu para um estágio avançado. Para resolver essa deficiência, os pesquisadores pretendiam desenvolver uma técnica de imagem mais abrangente, capaz de detectar anormalidades fisiológicas e bioquímicas adicionais, como alterações no fluxo sanguíneo e na oxigenação dos tecidos. Ao incorporar duas abordagens emergentes de imagem baseadas em ultrassom, a equipe espera facilitar a detecção precoce da doença, melhorando potencialmente os resultados e o prognóstico do paciente.

A imagem fotoacústica é uma técnica que utiliza a luz de um pulso de laser, que é absorvida pelos tecidos do corpo, gerando sinais de ultrassom que produzem imagens. Curiosamente, cada tecido exibe uma assinatura única depois de interagir com a luz, permitindo que tanto a estrutura quanto o conteúdo do tecido sejam identificados. A imagem PA pode visualizar processos fisiológicos e bioquímicos dentro do corpo, como conteúdo de oxigênio no sangue, composição do tecido, inflamação e distribuição de agentes de imagem (informações funcionais). Apesar dos pontos fortes da imagem PA, ela também tem suas limitações – sua resolução é restrita, tornando-a incapaz de resolver estruturas finas como a microvasculatura, que são alvos cruciais em várias doenças, incluindo câncer e doenças renais.

A ultra-sonografia de super-resolução emprega microbolhas como agentes de contraste que fluem na corrente sanguínea e produzem sinais de ultra-som muito fortes. Avançado processamento de sinal é usado para eliminar o sinal de fundo do tecido do ultrassom, concentrando-se apenas no sinal dos agentes de imagem individuais na corrente sanguínea. Esta técnica pode alcançar alta resolução, tornando-a ideal para a microvasculatura de imagem e medição do fluxo sanguíneo correspondente. Como o ultrassom de super-resolução e a imagem fotoacústica podem compartilhar o mesmo sistema de imagem de ultrassom, eles são adequados para o desenvolvimento de imagens de modalidade dupla.

Combinar imagens de US de super-resolução com imagens de PA pode parecer simples, mas cada técnica tem seus próprios requisitos de hardware e velocidades de aquisição. Diferentes velocidades de aquisição são particularmente importantes, pois os movimentos naturais dos pacientes, como respiração e batimentos cardíacos, podem fazer com que as informações da imagem mudem com o tempo.

A aplicação de otimização com restrição de esparsidade ao processamento de sinal alinhou a velocidade das duas técnicas de imagem, permitindo uma varredura suave da área de imagem. Essa abordagem permitiu que eles acelerassem a taxa de quadros de imagens de ultrassom de super-resolução em até 37 vezes com dados sintéticos e 28 vezes com dados in vivo. As velocidades de imagem combinadas permitem a gravação intercalada dos dois tipos de imagem, permitindo o co-registro bem-sucedido da composição química, fluxo sanguíneoe estrutura.

A equipe de pesquisa demonstrou sua técnica inovadora em dois cenários críticos in vivo—gânglios linfáticos e rins. Os gânglios linfáticos estão entre um dos primeiros lugares onde o câncer irá metastatizar, e os médicos verificarão os gânglios linfáticos do paciente para determinar se uma linfadenectomia é necessária. Para esse processo, é importante saber onde está o linfonodo e visualizar a complexa vascularização que envolve as células cancerígenas. Com as técnicas atuais, a vasculatura pode ser vista ou o linfonodo pode ser localizado, mas não ambos. Essa nova técnica mostrou que pode fornecer informações sobre a localização e a vasculatura dos linfonodos.

Os rins são outra área significativa de interesse, pois aproximadamente 15% dos americanos desenvolverão doença renal e 40% daqueles com doença renal crônica não sabem de sua condição até diagnóstico por imagem é desempenhado. A vascularização e a oxigenação do rim desempenham um papel vital no desenvolvimento de doenças crônicas. doença renal. No entanto, como no caso dos gânglios linfáticos, as modalidades de imagem atuais não podem capturar adequadamente as informações estruturais e funcionais. A modalidade de imagem dupla permite a identificação não apenas da vascularização distinta do rim, mas também da funcionalidade do tecido renal.

Chen destaca que “o principal benefício dessa imagem é que ela pode fornecer informações multidimensionais. Podemos adicionar diferentes camadas de imagem. Uma camada pode ser estrutural e outra camada pode ser funcional”. No futuro, eles pretendem incorporar mais uma camada – a informação molecular – para observar mudanças no nível molecular ou mesmo genético, onde ocorre a maioria das doenças.

A equipe, juntamente com outros colaboradores no campus, está entusiasmada com as possíveis aplicações desse novo método de imagem. Eles estão interessados ​​em usar o método para investigar doenças cerebrais neurodegenerativas. Considerando o papel crítico do suprimento de oxigênio na função cerebral, esta técnica de imagem pode oferecer uma ferramenta potente para a imagem da vasculatura sanguínea que fornece oxigênio ao cérebro.