Investigadores de Caltech y USC han desarrollado un nuevo enfoque de imagenología médica que produce rápidamente imágenes 3D a color, mostrando tanto la estructura física de los tejidos blandos como el funcionamiento de los vasos sanguíneos. La técnica ya se ha utilizado para obtener imágenes de diversas partes del cuerpo humano y, según los científicos, podría conducir a mejores diagnósticos de cáncer de mama, un seguimiento más preciso de los daños nerviosos relacionados con la diabetes y nuevas formas de estudiar el cerebro.
Los detalles de este trabajo se han publicado en la revista Nature Biomedical Engineering.
Limitaciones de las Herramientas de Imagenología Existentes
El ultrasonido estándar es rápido, asequible y ampliamente utilizado, pero principalmente muestra la forma de los tejidos en dos dimensiones y ofrece un área de visualización limitada. La imagenología fotoacústica proporciona un tipo diferente de información: envía luz láser al cuerpo y detecta las ondas sonoras producidas cuando ciertas moléculas absorben esa luz. Esto permite a los médicos e investigadores visualizar los vasos sanguíneos en color óptico y observar el flujo sanguíneo a través de arterias y venas. Sin embargo, la imagenología fotoacústica no captura bien los detalles de la estructura tisular.
Otros métodos comunes de imagenología, como la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética (RM), presentan desventajas. Estas técnicas pueden requerir agentes de contraste, exponer a los pacientes a radiación ionizante, ser más costosas o tardar demasiado para su uso frecuente.
Combinando Ultrasonido e Imagenología Fotoacústica
Para superar estas limitaciones, el equipo de investigación desarrolló RUS-PAT (tomografía rotacional por ultrasonido, RUST, combinada con tomografía fotoacústica, PAT). La tomografía fotoacústica fue desarrollada inicialmente hace más de dos décadas por Lihong Wang, profesor Bren de Ingeniería Médica e Ingeniería Eléctrica y presidente de Liderazgo en Ingeniería Médica Andrew y Peggy Cherng en Caltech. En PAT, las moléculas de tejido que absorben luz vibran después de ser golpeadas por pulsos láser cortos, produciendo señales acústicas que se pueden medir y convertir en imágenes detalladas.
Wang, quien también es el director ejecutivo de ingeniería médica de Caltech, explicó que el objetivo del nuevo proyecto era combinar las fortalezas del ultrasonido y la imagenología fotoacústica. “Pero no es simplemente uno más uno”, afirma. “Necesitábamos encontrar una forma óptima de combinar las dos tecnologías.”
Un Diseño Más Sencillo y Práctico
Los sistemas de ultrasonido tradicionales dependen de muchos transductores para enviar y recibir ondas sonoras, lo que dificulta y encarece la integración directa con la imagenología fotoacústica. La imagenología fotoacústica, por el contrario, solo necesita detección por ultrasonido. Esta diferencia llevó a Wang a una nueva idea: “¿Podemos simplemente imitar la excitación de la luz de las ondas de ultrasonido en la tomografía fotoacústica, pero hacerlo mediante ultrasonido?”.
En la imagenología fotoacústica, la luz láser se propaga a través del tejido y desencadena ondas de ultrasonido que se pueden medir. Wang se dio cuenta de que un único transductor de ultrasonido de campo amplio podría enviar ondas sonoras a través del tejido. Los mismos detectores podrían entonces capturar señales de ambos métodos de imagenología.
El sistema final utiliza un pequeño número de detectores en forma de arco que giran alrededor de un punto central. Esta configuración funciona eficazmente como un detector hemisférico completo, al tiempo que es mucho más simple y menos costoso.
Potencial Demostrado para Uso Humano
“La novedosa combinación de técnicas acústicas y fotoacústicas aborda muchas de las limitaciones clave de las técnicas de imagenología médica ampliamente utilizadas en la práctica clínica actual e, importantemente, la viabilidad para la aplicación humana se ha demostrado aquí en múltiples contextos”, afirma el Dr. Charles Y. Liu, coautor del estudio y asociado visitante en biología e ingeniería biológica en Caltech. Liu también es profesor de la Keck School of Medicine de USC, director del Centro de Neurorestauración de USC y presidente de neurocirugía en el Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center.
Debido a que el método se puede utilizar en cualquier lugar donde llegue la luz, RUS-PAT puede tener amplias aplicaciones clínicas. En la imagenología del cáncer de mama, podría ayudar a los médicos a precisar la ubicación de un tumor y, al mismo tiempo, revelar información sobre su actividad biológica. Para los pacientes con neuropatía diabética, la técnica podría permitir a los médicos controlar tanto la estructura nerviosa como el suministro de oxígeno en un solo escaneo. Wang también destaca su potencial para la investigación cerebral, donde los científicos podrían estudiar la anatomía cerebral mientras observan simultáneamente la dinámica del flujo sanguíneo.
Velocidad, Profundidad y Pruebas Iniciales
Actualmente, el sistema puede obtener imágenes de tejidos hasta una profundidad de aproximadamente 4 centímetros. La luz también se puede administrar utilizando herramientas endoscópicas, lo que podría permitir el acceso a áreas más profundas del cuerpo. Cada escaneo RUS-PAT tarda menos de un minuto.
La configuración actual coloca transductores de ultrasonido y un láser debajo de una cama de exploración. El sistema ya ha sido probado en voluntarios y pacientes humanos y se encuentra ahora en las primeras etapas de transición hacia el uso clínico.
Detalles del Estudio y Financiación
El artículo se titula “Tomografía rotacional por ultrasonido y fotoacústica del cuerpo humano”. Los autores principales son Yang Zhang, Shuai Na y el Dr. Jonathan J. Russin. Zhang y Na realizaron el trabajo como investigadores postdoctorales en Caltech y ahora tienen su base en la Universidad de Tsinghua y la Universidad de Pekín en Beijing, respectivamente. Russin está afiliado a la Keck School of Medicine de USC y al Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center en Downey, California.
Otros colaboradores de Caltech incluyen a Karteekeya Sastry, Li Lin (PhD ’20), Junfu Zheng, Yilin Luo, Xin Tong (MS ’21), Yujin An, Peng Hu (PhD ’23) y el ex científico investigador Konstantin Maslov. Lin es actualmente de la Universidad de Zhejiang en Hangzhou, China. El Dr. Tze-Woei Tan de la Keck School of Medicine de USC también es coautor. La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de la Salud.
