Láser

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Investigadores del Laboratorio Lincoln del MIT y sus colaboradores del Centro de Investigación y Traducción de Ultrasonidos (CURT) del Hospital General de Massachusetts (MGH) han desarrollado un nuevo dispositivo de imágenes médicas: el ultrasonido láser sin contacto (NCLUS). Este sistema de ultrasonido basado en láser proporciona imágenes de las características internas del cuerpo, como órganos, grasa, músculos, tendones y vasos sanguíneos. El sistema también mide la resistencia de los huesos y puede tener el potencial de rastrear las etapas de la enfermedad a lo largo del tiempo.

"Nuestro concepto patentado de sistema láser seguro para la piel busca transformar el ultrasonido médico superando las limitaciones asociadas con las sondas de contacto tradicionales", explica el investigador principal Robert Haupt, miembro senior del personal del Grupo de Sistemas Ópticos Activos del Laboratorio Lincoln. Haupt y el miembro superior del personal Charles Wynn son co-inventores de la tecnología, con el líder asistente del grupo Matthew Stowe brindando liderazgo técnico y supervisión del programa NCLUS. Rajan Gurjar es el líder del integrador de sistemas, con Jamie Shaw, Bert Green, Brian Boitnott (ahora en la Universidad de Stanford) y Jake Jacobsen colaborando en la ingeniería óptica y mecánica y en la construcción del sistema.

Ultrasonido médico en la práctica.

Si su médico solicita una ecografía, puede esperar que un ecografista altamente capacitado presione y manipule una serie de transductores, instalados en un dispositivo portátil, en su cuerpo. A medida que el ecografista empuja la sonda del transductor a través de la piel, las ondas acústicas de alta frecuencia (ondas ultrasónicas) penetran y se propagan a través del tejido corporal, donde hacen eco de diferentes estructuras y características del tejido. Estos ecos se manifiestan a partir de la impedancia acústica o cambio en la fuerza del tejido (suavidad o rigidez del tejido), de la grasa, los músculos, los órganos, los vasos sanguíneos y los huesos en las profundidades del cuerpo. La sonda recibe los ecos que regresan, que se ensamblan en imágenes representativas de las características internas del cuerpo. Se utilizan esquemas de procesamiento especializados (procesamiento de apertura sintética) para construir las formas de las características del tejido en 2D o 3D, y estas construcciones luego se muestran en un monitor de computadora en tiempo real.

Mediante el uso de ultrasonido, los médicos pueden "ver" de forma no invasiva el interior del cuerpo para obtener imágenes de diversos tejidos y sus geometrías. El ultrasonido también puede medir el flujo sanguíneo que pulsa a través de arterias y venas, y puede caracterizar las propiedades mecánicas (elastografía) de tejidos y órganos. El ultrasonido se utiliza de forma rutinaria para ayudar a los médicos a evaluar y diagnosticar una variedad de afecciones, enfermedades y lesiones. Por ejemplo, la ecografía se puede utilizar para obtener imágenes de la anatomía de un feto en desarrollo, detectar tumores y medir el grado de estrechamiento o fuga en las válvulas cardíacas. Desde dispositivos portátiles en un iPhone hasta sistemas basados ​​en carritos, el ultrasonido es muy portátil, relativamente económico y ampliamente utilizado en puntos de atención y entornos de campo remoto.

Limitaciones de la ecografía

Aunque los sistemas de ultrasonido médicos de última generación pueden resolver características del tejido en fracciones de milímetro, la técnica tiene algunas limitaciones. La manipulación manual de la sonda por parte de los ecografistas para obtener la mejor ventana de visualización del interior del cuerpo provoca errores de imagen. Más específicamente, cuando los ecografistas aplican presión a la sonda mediante el tacto, comprimen aleatoriamente el tejido local donde la sonda hace contacto, provocando cambios impredecibles en las propiedades del tejido que impactan las trayectorias de las ondas ultrasónicas. Esta compresión distorsiona las imágenes de las características del tejido con cierta imprevisibilidad, lo que significa que las formas de las características no se trazan con precisión. Además, inclinar la sonda, aunque sea ligeramente, cambia el plano angular de la vista de la imagen, sesgando la imagen y creando incertidumbre sobre dónde se ubican las características en el cuerpo.

La distorsión de la imagen y la incertidumbre de la referencia posicional son lo suficientemente importantes como para que la ecografía no pueda resolver con suficiente confianza, por ejemplo, si un tumor se está haciendo más grande o más pequeño y exactamente dónde está ubicado el tumor en el tejido huésped. Además, la incertidumbre en el tamaño, la forma y la posición de la característica variará al repetir la medición, incluso para el mismo ecografista que intenta volver sobre sus pasos. Esta incertidumbre, denominada variabilidad del operador, es más grave cuando diferentes ecografistas intentan la misma medición, lo que genera variabilidad entre operadores. Debido a estos inconvenientes, la ecografía a menudo no puede rastrear tumores cancerosos y otras enfermedades. En cambio, métodos como la resonancia magnética (MRI) y la tomografía computarizada (CT) tienen el mandato de rastrear cómo progresan las enfermedades, incluso con su costo mucho más alto, mayor tamaño y complejidad del sistema y el riesgo de radiación impuesto.

"La variabilidad ha sido una limitación importante de la ecografía médica durante décadas", dice Anthony Samir, presidente asociado de Ciencias de la Imagen en MGH Radiology y director de CURT. Samir y sus colegas de MGH CURT, Kai Thomenius y Marko Jakolvejic, aportan experiencia médica y conocimientos técnicos críticos. y orientación sobre dispositivos de ultrasonido convencionales para el equipo del laboratorio y colaborar con ellos en el desarrollo del sistema NCLUS.

Al automatizar completamente el proceso de adquisición de imágenes de ultrasonido, NCLUS tiene el potencial de reducir la necesidad de un ecografista y mitigar la variabilidad del operador. El posicionamiento del láser se puede reproducir con precisión, eliminando así la variabilidad entre mediciones repetidas. Debido a que la medición se realiza sin contacto, no se produce compactación del tejido localizada ni su distorsión relacionada con las características de la imagen. Además, al igual que la resonancia magnética y la tomografía computarizada, NCLUS proporciona una capacidad de marco de referencia fijo que utiliza marcadores de piel para reproducir y comparar exploraciones repetidas a lo largo del tiempo. Para respaldar dichas capacidades de seguimiento, el equipo del laboratorio desarrolló un software que procesa imágenes de ultrasonido y detecta cualquier cambio entre ellas. Al no requerir presión manual ni geles de acoplamiento (como lo requieren las sondas de contacto), NCLUS también es ideal para pacientes con áreas del cuerpo sensibles o dolorosas, en estados frágiles o con riesgo de infección.

"NCLUS podría obtener imágenes de víctimas de quemaduras o traumatismos, pacientes con regiones de tejido profundo abiertas directamente durante la cirugía, bebés prematuros que requieren atención médica intensiva, pacientes con lesiones en el cuello y la columna e individuos contagiosos desde distancias distantes", dice Haupt.

Ondas de ultrasonido inducidas por luz.

NCLUS emplea un láser pulsado que transmite energía óptica a través del aire hasta la superficie de la piel, donde la luz se absorbe rápidamente una vez en la piel. El pulso óptico provoca un calentamiento localizado instantáneo y deforma rápidamente la piel mediante un proceso termoelástico que a su vez genera ondas ultrasónicas, que actúan como una fuente de ultrasonido, un fenómeno llamado fotoacústica.

El pulso óptico produce suficiente potencia de ultrasonido con frecuencias comparables a las de los ultrasonidos médicos practicados, sin causar sensación en la piel. El equipo patentó la elección de las longitudes de onda portadoras ópticas, con el proceso fotoacústico diseñado para crear una fuente de ultrasonido consistente, independientemente del color de la piel o la rugosidad del tejido.

Los ecos ultrasónicos que regresan del interior del tejido emergen en la superficie de la piel como vibraciones localizadas, que se miden mediante un vibrómetro láser Doppler especializado de alta sensibilidad.

"Con una implementación adecuada de transmisión y recepción de láser, cualquier superficie de tejido expuesta puede convertirse en fuentes y detectores de ultrasonido viables", explica Haupt.

Avances hacia un sistema clínicamente operativo

En 2019, el equipo demostró que el sistema de prueba de concepto NCLUS (GEN-1) puede adquirir imágenes de ultrasonido de sujetos humanos utilizando láseres seguros para la piel, una novedad en la comunidad médica. Sin embargo, el tiempo para adquirir los datos de imagen del paciente fue largo y poco práctico para la práctica clínica. Además, la resolución de imagen del sistema GEN-1 era significativamente menor que la del ultrasonido médico de última generación.

Desde entonces, se ha producido un importante desarrollo de ingeniería para la transición de NCLUS GEN-1 a un sistema operativo apropiado para pruebas clínicas. En el sistema clínico NCLUS, tanto la fuente láser como el receptor están miniaturizados y alojados dentro de un cabezal óptico unido a una armadura portátil. Los láseres que pulsan y escanean son 500 veces más rápidos que los del sistema GEN-1, lo que reduce el tiempo total de adquisición de datos de imágenes a menos de un minuto. Los futuros prototipos de NCLUS implicarán tiempos de adquisición más rápidos, de menos de un segundo. El nuevo sistema clínico también opera a frecuencias de ultrasonido mucho más altas que las del sistema GEN-1, lo que permite una resolución de hasta 200 micras, comparable a la resolución del ultrasonido médico de última generación.

La armadura móvil permite muchos grados de libertad para ver las distintas regiones del cuerpo. Dentro del cabezal óptico también hay espejos programables de dirección rápida que posicionan automáticamente la fuente y reciben rayos láser para establecer con precisión la matriz de ultrasonidos. Se utiliza un lidar 2D para mapear la topografía de la superficie de la piel del paciente; una cámara infrarroja de onda corta de alta velocidad de fotogramas registra las ubicaciones proyectadas de la fuente láser y el receptor en la piel, proporcionando los parámetros de matriz necesarios para construir imágenes de ultrasonido. El mapeo topográfico de la superficie de la piel y los registros de posición del láser se registran utilizando características naturales de la piel, como las pecas. De esta manera, se establece un marco de referencia fijo para realizar exploraciones repetidas precisas a lo largo del tiempo.

El sistema clínico NCLUS genera imágenes de ultrasonido registradas y totalmente automatizadas mediante un procesamiento de apertura sintética. El equipo demostró este sistema en un disco a base de gel sintetizado para que coincida con las propiedades mecánicas del tejido humano (denominado fantasma) que controla la propagación de ondas ultrasónicas.

A través de programas patrocinados, el equipo ahora está desarrollando NCLUS para respaldar aplicaciones militares de campo. Estas aplicaciones incluyen la detección y caracterización de lesiones potencialmente mortales por hemorragias internas en órganos; monitorear las lesiones musculoesqueléticas debilitantes y su curación con el tiempo; y proporcionar imágenes elastográficas de tejidos blandos y huesos de regiones de extremidades amputadas para acelerar el diseño y la adaptación de encajes protésicos. Las aplicaciones civiles incluyen imágenes en la unidad de cuidados intensivos. Con NCLUS, los técnicos de emergencias médicas, los paramédicos y el personal médico sin capacitación especializada en ecografía podrían realizar imágenes de ultrasonido fuera de un hospital: en el consultorio de un médico, en casa o en un campo de batalla remoto.

"Con un mayor desarrollo, NCLUS tiene el potencial de ser una tecnología transformadora: una plataforma de ultrasonido portátil y automatizada con una capacidad de marco de referencia fijo similar a la de la resonancia magnética y la tomografía computarizada", dice Samir.

En la siguiente fase del programa NCLUS, el equipo realizará estudios clínicos utilizando un láser operativo seguro para la piel para evaluar imágenes de ultrasonido y compararlas con las de la ecografía médica convencional. Si estos estudios tienen éxito, el equipo buscará financiación comercial para el desarrollo de dispositivos médicos clínicos, seguido de la aprobación de la agencia de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU.

Este trabajo está financiado por el Programa de Investigación de Medicina Operacional Militar del Ejército de EE. UU. Las pruebas en humanos in vivo fueron aprobadas por el Comité del MIT sobre el uso de seres humanos como sujetos experimentales.

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