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Das Lasersystem kann Bilder im Inneren Ihres Körpers ferngesteuert erfassen

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MIT-Forscher sagen, dass die Technik helfen könnte, die Gesundheit von Säuglingen, Verbrennungsopfern und Unfallüberlebenden an schwer zugänglichen Orten aus der Ferne abzubilden und zu beurteilen.

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Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben die ersten Laser-Ultraschallbilder von Menschen erstellt, so ein Bericht der MIT News. Die Weiterentwicklung ist wichtig, weil die von ihnen verwendete Technik helfen kann, die Gesundheit von Säuglingen, Brandopfern und Unfallüberlebenden an schwer zugänglichen Orten aus der Ferne zu erfassen und zu beurteilen.

Konventioneller Ultraschall erfordert den Kontakt mit dem Körper des Patienten, und obwohl er im Allgemeinen als nicht invasiv angesehen wird, ist er möglicherweise nicht ideal in Situationen, in denen die Sonde Verbrennungsopfer, Babys oder andere Patienten mit empfindlicher Haut berühren müsste. Der Bericht stellte auch fest, dass der Kontakt mit der Ultraschallsonde eine signifikante Bildvariabilität induziert, was eine große Herausforderung in der modernen Ultraschallbildgebung darstellt.

Die Ingenieure des MIT haben eine alternative Methode entwickelt, die keinen Kontakt mit dem Körper erfordert, um in das Innere eines Patienten zu sehen. Das neue Laser-Ultraschallverfahren nutzt ein augen- und hautverträgliches Lasersystem, um das Innere des menschlichen Körpers ferngesteuert abzubilden. Beim Training auf der Haut eines Patienten erzeugt ein Laser per Fernbedienung Schallwellen, die durch den Körper hüpfen. Ein zweiter Laser detektiert die reflektierten Wellen aus der Ferne, die die Forscher dann in ein Bild ähnlich dem herkömmlichen Ultraschall übersetzen.

In einer Veröffentlichung von Nature in der Zeitschrift Light: Wissenschaft und Anwendungen, sagte das MIT-Team, dass sie die Unterarme von mehreren Freiwilligen gescannt und gemeinsame Gewebemerkmale wie Muskeln, Fett und Knochen bis etwa 6 Zentimeter unter der Haut beobachtet haben. Diese Bilder, vergleichbar mit konventionellem Ultraschall, wurden mit ferngesteuerten Lasern erzeugt, die auf einen Probanden aus einem halben Meter Entfernung fokussiert wurden.

"Wir stehen noch am Anfang dessen, was wir mit Laser-Ultraschall machen könnten", sagt Brian W. Anthony, ein leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Maschinenbau und dem Institut für Medizintechnik und -wissenschaft (IMES) des MIT, und ein leitender Autor der Arbeit. "Stellen Sie sich vor, wir kommen an einen Punkt, an dem wir jetzt alles mit Ultraschall machen können, aber auf Distanz. Dies gibt Ihnen eine ganz neue Art und Weise, Organe im Körperinneren zu sehen und die Eigenschaften des Tiefengewebes zu bestimmen, ohne mit dem Patienten in Kontakt zu kommen"

Frühe Konzepte für berührungslosen Laser-Ultraschall für die medizinische Bildgebung stammen aus einem Lincoln-Laborprogramm, das von Rob Haupt von der Active Optical Systems Group und Chuck Wynn von der Advanced Capabilities and Technologies Group, die zusammen mit Matthew Johnson Co-Autoren des neuen Papiers sind, ins Leben gerufen wurde. Von dort aus wuchs die Forschung durch die Zusammenarbeit mit Anthony und seinen Studenten, Xiang (Shawn) Zhang, der jetzt als Postdoc am MIT arbeitet und der erste Autor der Arbeit ist, und dem kürzlich promovierten Jonathan Fincke, der auch ein Co-Autor ist. Das Projekt kombinierte die Expertise der Forscher des Lincoln Laboratory im Bereich der Laser- und optischen Systeme mit der Erfahrung der Anthony-Gruppe mit fortschrittlichen Ultraschallsystemen und medizinischer Bildrekonstruktion.

Das Konzept der Anwendung laserbasierter Methoden bei der Ultraschallanregung ist nicht neu. Forscher haben die Idee in einem Bereich namens Photoakustik erforscht. Nur, anstatt Schallwellen in den Körper zu schicken, haben andere Forscher versucht, Licht in Form eines gepulsten Lasers mit einer bestimmten Wellenlänge zu senden, das die Haut durchdringt und von den Blutgefäßen absorbiert wird. Das Problem ist, dass diese Technik immer noch einen Detektor in direktem Kontakt mit dem Körper benötigt und das Licht nur eine kurze Strecke in die Haut hineingelangen kann, bevor es verblasst.

Da Schallwellen weiter in den Körper eindringen als Licht, suchten Zhang, Anthony und ihre Kollegen nach einer Möglichkeit, das Licht eines Laserstrahls an der Oberfläche der Haut in Schallwellen umzuwandeln, um tiefer in den Körper abzubilden

Das Team wählte auf der Grundlage ihrer Forschung 1.550-Nanometer-Laser aus, eine Wellenlänge, die von Wasser stark absorbiert wird (und mit großer Sicherheitsmarge augen- und hautverträglich ist). Da die Haut im Wesentlichen aus Wasser besteht, dachte das Team, dass sie dieses Licht effizient absorbieren und sich dabei erwärmen und ausdehnen sollte. Wenn sie wieder in den Normalzustand zurückschwingt, sollte die Haut selbst Schallwellen erzeugen, die sich durch den Körper ausbreiten.

Die Forscher testeten diese Idee mit einem Laseraufbau, bei dem ein gepulster Laser auf 1.550 Nanometer eingestellt ist, um Schallwellen zu erzeugen, und ein zweiter kontinuierlicher Laser, der auf die gleiche Wellenlänge abgestimmt ist, um reflektierte Schallwellen fern zu detektieren. Dieser zweite Laser ist ein empfindlicher Bewegungsmelder, der Vibrationen auf der Hautoberfläche misst, die durch die Schallwellen verursacht werden, die von Muskel-, Fett- und anderem Gewebe abprallen. Die Bewegung der Hautoberfläche, die durch die reflektierten Schallwellen erzeugt wird, verursacht eine Veränderung der Frequenz des Lasers, die gemessen werden kann. Durch mechanisches Abtasten des Körpers mit den Lasern können die Wissenschaftler an verschiedenen Stellen Daten erfassen und ein Bild der Region erzeugen.

"Es ist, als würden wir ständig in den Grand Canyon hineinschreien, während wir an der Wand entlanggehen und an verschiedenen Orten zuhören", sagte Anthony. "Damit hat man dann genug Daten, um die Geometrie all der Dinge im Inneren herauszufinden, gegen die die Wellen prallten - und das Schreien wird mit einer Taschenlampe gemacht"