อัลตราซาวนด์ทั่วไปไม่ทำให้ผู้ป่วยได้รับรังสีที่เป็นอันตรายเช่นเดียวกับเครื่องเอ็กซ์เรย์และ CT สแกนเนอร์ และโดยทั่วไปจะไม่เป็นอันตราย แต่จำเป็นต้องมีการสัมผัสกับร่างกายของผู้ป่วย และด้วยเหตุนี้ อาจมีการจำกัดในสถานการณ์ที่แพทย์อาจต้องการนึกภาพผู้ป่วยที่ไม่ทนต่อการสอบสวนได้ดี เช่น ทารก เหยื่อไฟไหม้ หรือผู้ป่วยที่มีผิวแพ้ง่ายอื่นๆ นอกจากนี้การสัมผัสโพรบอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดความแปรปรวนของภาพที่สำคัญซึ่งเป็นความท้าทายที่สำคัญในการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์สมัยใหม่

ตอนนี้ วิศวกรของ MIT ได้คิดค้นทางเลือกอื่นนอกเหนือจากอัลตราซาวนด์แบบเดิมที่ไม่ต้องสัมผัสกับร่างกายเพื่อดูภายในตัวผู้ป่วย เทคนิคอัลตราซาวนด์ด้วยเลเซอร์แบบใหม่ใช้ประโยชน์จากระบบเลเซอร์ที่ปลอดภัยต่อดวงตาและผิวหนัง เพื่อสร้างภาพภายในของบุคคลจากระยะไกล เมื่อฝึกบนผิวหนังของผู้ป่วย เลเซอร์หนึ่งตัวจะสร้างคลื่นเสียงที่สะท้อนผ่านร่างกายจากระยะไกล เลเซอร์ตัวที่สองตรวจจับคลื่นที่สะท้อนจากระยะไกล จากนั้นนักวิจัยจะแปลเป็นภาพที่คล้ายกับอัลตราซาวนด์ทั่วไป

ในบทความที่ตีพิมพ์ในวันนี้โดย Nature ในวารสารLight: Science and Applicationsทีมงานรายงานว่าได้สร้างภาพอัลตราซาวนด์ด้วยเลเซอร์ภาพแรกในมนุษย์ นักวิจัยได้สแกนท่อนแขนของอาสาสมัครหลายคนและสังเกตลักษณะทั่วไปของเนื้อเยื่อ เช่น กล้ามเนื้อ ไขมัน และกระดูก ลึกลงไปใต้ผิวหนังประมาณ 6 เซนติเมตร ภาพเหล่านี้ เทียบได้กับอัลตราซาวนด์ทั่วไป ผลิตขึ้นโดยใช้เลเซอร์ระยะไกลซึ่งมุ่งเน้นไปที่อาสาสมัครซึ่งอยู่ห่างออกไปครึ่งเมตร

Brian W. Anthony นักวิทยาศาสตร์การวิจัยหลักในภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและสถาบันวิศวกรรมการแพทย์และวิทยาศาสตร์ (IMES) ของ MIT กล่าวว่า "เรากำลังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของสิ่งที่เราสามารถทำได้ด้วยอัลตราซาวนด์ด้วยเลเซอร์" . "ลองนึกภาพว่าเราไปถึงจุดที่เราสามารถทำทุกอย่างที่อัลตราซาวนด์สามารถทำได้ในขณะนี้ แต่ในระยะไกล วิธีนี้ช่วยให้คุณเห็นอวัยวะภายในร่างกายในรูปแบบใหม่ และกำหนดคุณสมบัติของเนื้อเยื่อลึกโดยไม่ต้องสัมผัสกับผู้ป่วย"

ผู้เขียนร่วมของ Anthony ในบทความนี้เป็นผู้เขียนนำและ MIT postdoc Xiang (Shawn) Zhang บัณฑิตปริญญาเอก Jonathan Fincke ล่าสุด พร้อมด้วย Charles Wynn, Matthew Johnson และ Robert Haupt จาก Lincoln Laboratory ของ MIT

ตะโกนเข้าไปในหุบเขา -- ด้วยไฟฉาย

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้สำรวจวิธีการที่ใช้เลเซอร์ในการกระตุ้นด้วยอัลตราซาวนด์ในสาขาที่เรียกว่า photoacoustics แทนที่จะส่งคลื่นเสียงเข้าสู่ร่างกายโดยตรง แนวคิดคือการส่งแสงในรูปแบบของเลเซอร์พัลซิ่งที่ปรับความยาวคลื่นเฉพาะที่เจาะผิวหนังและถูกดูดซึมโดยหลอดเลือด

หลอดเลือดจะขยายตัวและคลายตัวอย่างรวดเร็ว โดยให้ความร้อนทันทีด้วยชีพจรเลเซอร์ จากนั้นร่างกายจะเย็นลงอย่างรวดเร็วโดยกลับเป็นขนาดเดิม เพียงเพื่อจะโดนแสงอีกครั้งหนึ่ง การสั่นสะเทือนทางกลที่เกิดขึ้นจะสร้างคลื่นเสียงที่เดินทางกลับขึ้นไป โดยสามารถตรวจพบได้โดยทรานสดิวเซอร์ที่วางอยู่บนผิวหนังและแปลเป็นภาพอะคูสติก

ในขณะที่โฟโตอะคูสติกใช้เลเซอร์เพื่อตรวจสอบโครงสร้างภายในจากระยะไกล เทคนิคนี้ยังคงต้องใช้เครื่องตรวจจับที่สัมผัสโดยตรงกับร่างกายเพื่อรับคลื่นเสียง ยิ่งไปกว่านั้น แสงสามารถเดินทางเข้าสู่ผิวได้ในระยะสั้นๆ เท่านั้นก่อนที่จะจางหายไป ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยคนอื่นๆ จึงใช้ photoacoustics เพื่อสร้างภาพหลอดเลือดที่อยู่ใต้ผิวหนัง แต่ไม่ลึกมากนัก

เนื่องจากคลื่นเสียงเดินทางเข้าสู่ร่างกายได้ไกลกว่าแสง จาง แอนโธนี และเพื่อนร่วมงานจึงมองหาวิธีที่จะแปลงแสงจากลำแสงเลเซอร์เป็นคลื่นเสียงที่พื้นผิวของผิวหนัง เพื่อให้ได้ภาพที่ลึกลงไปในร่างกาย

จากการวิจัยของพวกเขา ทีมวิจัยได้เลือกเลเซอร์ขนาด 1,550 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นที่ดูดซับน้ำได้สูง เนื่องจากผิวประกอบด้วยน้ำเป็นหลัก ทีมงานจึงให้เหตุผลว่าควรดูดซับแสงนี้อย่างมีประสิทธิภาพ และทำให้ร้อนขึ้นและขยายตัวตามการตอบสนอง เมื่อมันสั่นกลับสู่สภาวะปกติ ผิวหนังควรสร้างคลื่นเสียงที่แพร่กระจายไปทั่วร่างกาย

นักวิจัยได้ทดสอบแนวคิดนี้ด้วยการตั้งค่าเลเซอร์โดยใช้เลเซอร์พัลซิ่งชุดหนึ่งที่ 1,550 นาโนเมตรเพื่อสร้างคลื่นเสียงและเลเซอร์ต่อเนื่องที่สองซึ่งปรับให้มีความยาวคลื่นเท่ากันเพื่อตรวจจับคลื่นเสียงสะท้อนจากระยะไกล เลเซอร์ตัวที่สองนี้เป็นเครื่องตรวจจับการเคลื่อนไหวที่ละเอียดอ่อนซึ่งวัดการสั่นสะเทือนบนพื้นผิวที่เกิดจากคลื่นเสียงที่สะท้อนออกจากกล้ามเนื้อ ไขมัน และเนื้อเยื่ออื่นๆ การเคลื่อนที่ของผิวที่เกิดจากคลื่นเสียงสะท้อน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความถี่ของเลเซอร์ ซึ่งสามารถวัดได้ โดยการสแกนเลเซอร์ทั่วร่างกายด้วยกลไก นักวิทยาศาสตร์สามารถรับข้อมูลในสถานที่ต่างๆ และสร้างภาพของภูมิภาคได้

“มันเหมือนกับว่าเรากำลังตะโกนใส่แกรนด์แคนยอนตลอดเวลาขณะเดินไปตามกำแพงและฟังในสถานที่ต่างๆ” แอนโธนีกล่าว "นั่นจะทำให้คุณมีข้อมูลมากพอที่จะหารูปทรงของสิ่งต่างๆ ที่คลื่นกระทบกระแทก -- และการตะโกนก็จบลงด้วยไฟฉาย"

การถ่ายภาพในบ้าน

ขั้นแรกนักวิจัยใช้การตั้งค่าใหม่นี้เพื่อสร้างภาพวัตถุโลหะที่ฝังอยู่ในแม่พิมพ์เจลาตินอย่างคร่าว ๆ คล้ายกับปริมาณน้ำของผิวหนัง พวกเขาถ่ายภาพเจลาตินชนิดเดียวกันโดยใช้โพรบอัลตราซาวนด์เชิงพาณิชย์ และพบว่าทั้งสองภาพมีความคล้ายคลึงกันอย่างมาก พวกเขาย้ายไปที่ภาพเนื้อเยื่อสัตว์ที่ถูกตัดออก - ในกรณีนี้คือหนังหมู - ซึ่งพวกเขาพบว่าอัลตราซาวนด์ด้วยเลเซอร์สามารถแยกแยะลักษณะที่ละเอียดกว่าได้เช่นขอบเขตระหว่างกล้ามเนื้อไขมันและกระดูก

ในที่สุด ทีมงานได้ดำเนินการทดลองอัลตราซาวนด์ด้วยเลเซอร์ครั้งแรกในมนุษย์ โดยใช้โปรโตคอลที่ได้รับการอนุมัติจากคณะกรรมการ MIT ว่าด้วยการใช้มนุษย์เป็นอาสาสมัครทดลอง หลังจากสแกนท่อนแขนของอาสาสมัครสุขภาพดีหลายคนแล้ว นักวิจัยได้ผลิตภาพอัลตราซาวนด์ด้วยเลเซอร์แบบไม่สัมผัสทั้งหมดของมนุษย์เป็นครั้งแรก ขอบเขตของไขมัน กล้ามเนื้อ และเนื้อเยื่อมองเห็นได้ชัดเจนและเทียบได้กับภาพที่สร้างขึ้นโดยใช้เครื่องตรวจอัลตราซาวนด์ในเชิงพาณิชย์

นักวิจัยวางแผนที่จะปรับปรุงเทคนิคของพวกเขา และพวกเขากำลังมองหาวิธีที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของระบบเพื่อแก้ไขคุณสมบัติที่ดีในเนื้อเยื่อ พวกเขายังต้องการฝึกฝนความสามารถของเลเซอร์ตรวจจับ ไกลออกไป พวกเขาหวังว่าจะย่อการตั้งค่าเลเซอร์ เพื่อให้วันหนึ่งอัลตราซาวนด์เลเซอร์อาจถูกนำไปใช้เป็นอุปกรณ์พกพา

"ฉันสามารถจินตนาการถึงสถานการณ์ที่คุณสามารถทำสิ่งนี้ได้ในบ้าน" แอนโธนีกล่าว “เมื่อฉันตื่นนอนตอนเช้า ฉันสามารถเห็นภาพของต่อมไทรอยด์หรือหลอดเลือดแดง และสามารถมีภาพทางสรีรวิทยาในบ้านภายในร่างกายของฉันได้ คุณสามารถจินตนาการว่าการนำสิ่งนี้ไปใช้ในสภาพแวดล้อมโดยรอบเพื่อทำความเข้าใจสถานะภายในของคุณ ."

งานวิจัยชิ้นนี้ได้รับการสนับสนุนส่วนหนึ่งโดยโครงการ MIT Lincoln Laboratory Biomedical Line สำหรับกองทัพอากาศสหรัฐฯ และโดยโครงการวิจัยทางการแพทย์ด้านเวชศาสตร์ปฏิบัติการทางทหารของกองทัพสหรัฐฯ และกองบัญชาการวัสดุ