Pesquisas recentes na Caltech fizeram melhorias significativas em uma tecnologia de imagem fotoacústica chamada PATER, agora evoluída para PACTER. Esta nova versão simplifica a tecnologia, reduzindo a necessidade de múltiplos sensores, permite imagens tridimensionais e elimina a necessidade de calibração antes de cada uso. Esses avanços tornam a tecnologia mais prática e eficiente para aplicações de imagens médicas. Crédito: Caltech
A tecnologia aprimorada de imagem fotoacústica da Caltech, PACTER, simplifica procedimentos, permite imagens 3D e reduz a complexidade operacional, marcando um avanço significativo em imagens médicas.
Há momentos em que o progresso científico chega na forma de descoberta de algo completamente novo. Outras vezes, o progresso se resume a fazer algo melhor, mais rápido ou mais fácil.
Uma nova pesquisa do laboratório de Lihong Wang da Caltech, professor Bren de Engenharia Médica e Engenharia Elétrica, é a última. Em artigo publicado na revista Engenharia Biomédica da Natureza, Wang e o pós-doutorado Yide Zhang mostram como simplificaram e melhoraram uma técnica de imagem eles anunciaram pela primeira vez em 2020.
Essa técnica, uma forma de tecnologia de imagem fotoacústica chamada PATER (Topografia Fotoacústica Através de um Relé Ergódico), é uma especialidade do grupo de Wang.
Melhorias na imagem fotoacústica
Na imagem fotoacústica, a luz do laser é pulsada no tecido, onde é absorvida pelas moléculas do tecido, fazendo-as vibrar. Cada molécula vibrante serve como fonte de ondas ultrassônicas que podem ser usadas para gerar imagens das estruturas internas de maneira semelhante à forma como a imagem ultrassônica é realizada.
No entanto, a imagem fotoacústica é tecnologicamente desafiadora porque produz todas as informações de imagem em uma única explosão. Para capturar essa informação, as primeiras versões da tecnologia de imagem fotoacústica de Wang exigiam que conjuntos de centenas de sensores (transdutores) fossem pressionados contra a superfície do tecido sendo fotografado, o que tornava a tecnologia complicada e cara.
Wang e Zhang reduziram o número de transdutores necessários usando um dispositivo chamado relé ergódico, que diminui a velocidade com que a informação (na forma de vibrações) flui para um transdutor. Como explicado em um história anterior sobre PATER:
Na computação, existem duas formas principais de transmitir dados: serial e paralela. Na transmissão serial, os dados são enviados em um único fluxo através de um canal de comunicação. Na transmissão paralela, vários dados são enviados ao mesmo tempo usando vários canais de comunicação.
Os dois tipos de comunicação são aproximadamente análogos à forma como as caixas registradoras podem ser usadas em uma loja. A comunicação serial seria como ter uma caixa registradora. Todo mundo entra na mesma fila e vê o mesmo caixa. A comunicação paralela seria como ter vários registradores e uma linha para cada um.
O sistema que Wang projetou com 512 sensores é semelhante ao da loja com muitas caixas registradoras. Todos os sensores funcionam ao mesmo tempo, cada um captando parte dos dados sobre as vibrações ultrassônicas geradas pelo pulso do laser.
Como as vibrações ultrassônicas do sistema ocorrem em uma única explosão, um único sensor ficaria sobrecarregado se fosse usado para tentar coletar todos os dados nesse curto período de tempo. É aí que entra o relé ergódico.
Como Wang descreve, um relé ergódico é uma espécie de câmara em torno da qual o som pode ecoar. Quando as vibrações ultrassônicas passam pelo relé ergódico, elas são estendidas no tempo. Voltando à metáfora da caixa registadora, seria como ter outro funcionário a ajudar o único caixa, dizendo aos clientes para darem algumas voltas pela loja até que o caixa esteja pronto para atendê-los, para que o caixa não fique sobrecarregado.
PACTER: A Próxima Evolução
A última versão desta tecnologia, denominada PACTER (Photoacoustic Calculado A Tomografia Através de um Relé Ergódico) vai ainda mais longe, permitindo que o sistema opere usando um único transdutor que, através do uso de software, pode coletar tantos dados quanto 6.400 transdutores.
O PACTER melhora o PATER de duas outras maneiras, diz Wang, que também é Presidente de Liderança em Engenharia Médica Andrew e Peggy Cherng e diretor executivo de engenharia médica.
Uma melhoria é que o PACTER pode criar imagens tridimensionais, enquanto o PATER só pode gerar imagens 2D. Isso foi possibilitado pelo desenvolvimento de software aprimorado.
“A transição para imagens 3D aumenta significativamente a necessidade de dados. O desafio foi canalizar o enorme aumento de dados através de um único transdutor”, diz Zhang. “Nossa solução surgiu alterando nossa abordagem. Em vez de um método direto e computacionalmente intensivo de reconstrução de imagens 3-D a partir dos dados de um único transdutor, primeiro expandimos um transdutor em milhares de transdutores virtuais. Esta ideia simplificou o processo de reconstrução de imagens 3D, alinhando-o mais estreitamente com os métodos tradicionais em nossas imagens fotoacústicas.”
Em segundo lugar, ao contrário do PATER, o PACTER não necessita de ser calibrado cada vez que é utilizado.
“Com o PATER, tínhamos que calibrá-lo todas as vezes para usá-lo e isso simplesmente não é prático. Nós nos livramos dessa calibração única por uso”, diz Wang.
A calibração foi necessária porque quando o sistema dispara um pulso de luz laser no tecido, um “eco” desse pulso retornaria para o transdutor, impedindo-o de detectar informações diretas de ultrassom.
Wang diz que o PACTER contorna esse problema adicionando algo chamado linha de atraso ao sistema. A linha de atraso força o eco a percorrer um caminho físico mais longo no caminho de volta ao transdutor, de modo que chegue após o recebimento da informação direta do ultrassom.
“Embora eu sempre tenha dito que isso era possível, sabia que seria um desafio”, diz Wang.
O artigo que descreve o trabalho, “Imagem longitudinal ultrarrápida de hemodinâmica via tomografia fotoacústica volumétrica de disparo único com detector de elemento único”, aparece na edição de 30 de novembro da revista. Engenharia Biomédica da Natureza. Os coautores são Peng Hu (PhD ’23), ex-aluno de pós-graduação em engenharia médica; Lei Li (PhD ’19), ex-pós-doutorado em engenharia médica; Rui Cao, pós-doutorando em engenharia médica; Anjul Khadria, ex-pós-doutorado em engenharia médica; Konstantin Maslov, ex-cientista da Caltech; Xin Tong, estudante de pós-graduação em engenharia médica; e Yushun Zeng, Laiming Jiang e Qifa Zhou de USC.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pela Instituto Nacional de Saúde.
