Imágenes del cerebro con ondas de ultrasonido
Tanto los ultrasonidos para la obtención de imágenes médicas como la sismología para la obtención de imágenes del interior de la Tierra miden la propagación de las ondas a través de la materia. Por ejemplo, cuando las ondas sísmicas encuentran diferencias de material en el interior de la Tierra, como entre diferentes formaciones rocosas, se reflejan y refractan en sus interfaces. Como resultado, la velocidad de las ondas cambia. Si los investigadores miden estas ondas en la superficie, pueden sacar conclusiones sobre la estructura del interior de la Tierra, así como la composición de las rocas y sus propiedades materiales, como la densidad, la presión o la temperatura.
Izquierda: una malla de elementos finitos hexaédrica del cráneo y el cerebro. Derecha: Una instantánea de la simulación de ultrasonidos resultante. El disco azul en ambas imágenes representa la fuente de ultrasonidos.
Marty, P. et al. Medical Imaging 2022: Physics of Medical Imaging; 120313H (2022) / ETH Zurich / CSCS
Con la ayuda de sofisticados algoritmos y ordenadores de alto rendimiento como el "Piz Daint" del CSCS, investigadores como Andreas Fichtner, profesor del Instituto de Geofísica de la ETH de Zúrich y jefe del Grupo de Sismología y Física de Ondas, pueden utilizar estos datos de las ondas para caracterizar la estructura tridimensional de la Tierra. Los paralelismos de propagación entre los ultrasonidos y las ondas sísmicas, así como los conocimientos del equipo en el campo de la física de las ondas -cómo se puede utilizar la información que transportan las ondas y convertirla en imágenes- llevaron al profesor de la ETH y a su grupo a estudiar también la propagación de las ondas para los ultrasonidos médicos.
Los investigadores siguen colaborando con los médicos del hospital universitario de la Universidad de Zúrich para seguir desarrollando estas técnicas. Si Marty consigue durante los próximos tres años de su tesis doctoral seguir desarrollando los procedimientos de malla y obtención de imágenes del cerebro, estos mismos métodos podrían ser transferibles a otras partes del cuerpo, como las rodillas o los codos. Esto constituiría una base prometedora para desarrollar el correspondiente dispositivo de ultrasonidos.
Patrick Marty, estudiante de doctorado del grupo de Fichtner, está desarrollando ahora en su tesis doctoral un método para superar este reto con el apoyo de Christian Böhm, científico principal del Grupo de Sismología y Física de Ondas. Este método debería sentar las bases para obtener imágenes del cerebro con ultrasonidos en alta resolución, según los científicos.
Para simular la propagación de las ondas a través del cerebro, los investigadores están desarrollando algoritmos que realizan muchos cálculos sobre una cuadrícula especial conocida como "malla". En el centro de todo esto se encuentra un paquete de software llamado Salvus. Desarrollado en la ETH de Zúrich con el apoyo del CSCS, Salvus modela la propagación del campo de ondas completo (forma de onda completa) en escalas espaciales que van desde unos pocos milímetros hasta miles de kilómetros. Los sismólogos de la ETH utilizan este software para simular las ondas sísmicas, por ejemplo para explorar el interior de la Tierra o Marte, y ahora también para la obtención de imágenes médicas. El paquete de software utiliza el método de los elementos espectrales (SEM), que es especialmente adecuado para simular la propagación de las ondas en medios con transiciones de materiales de alto contraste, como el tejido cerebral blando y el hueso.
"A diferencia de los ultrasonidos convencionales, que sólo utilizan el tiempo de llegada de las ondas, nosotros utilizamos toda la información de las ondas en nuestras simulaciones", explica Marty. Esto significa que la forma, la frecuencia, la velocidad y la amplitud de la onda en cada punto de su propagación entran en los cálculos.
Aprendizaje en un escáner de resonancia magnética
Para su modelo, los investigadores utilizan primero una resonancia magnética del cerebro como referencia. Después, en el superordenador "Piz Daint", realizan cálculos con diferentes parámetros hasta que la imagen simulada coincide con la de la resonancia magnética.
Con este método, obtienen una imagen cuantitativa en lugar de la imagen en escala de grises, menos informativa, habitual en la ecografía convencional. Al utilizar toda la información del campo de ondas completo, los investigadores pueden cartografiar correctamente las propiedades físicas del medio -la velocidad a la que se propagan las ondas de ultrasonido a través del tejido, sus propiedades de amortiguación y la densidad del tejido- en cada punto del cerebro. Esto permite, en última instancia, determinar el tipo de tejido y distinguir si se trata de una masa cerebral o de un tejido tumoral, por ejemplo, ya que la densidad, la atenuación o la velocidad del sonido asociadas a los distintos tipos de tejidos se conocen a partir de experimentos de laboratorio.
Los investigadores están convencidos de que este método puede utilizarse para distinguir el tejido sano del tejido enfermo y, al mismo tiempo, ser no invasivo y rentable. En concreto, este método podría introducirse en un ordenador integrado en un aparato de ultrasonidos especialmente desarrollado para este fin. El ordenador realizaría una serie de cálculos a partir de las señales de ultrasonido registradas por los sensores, y el resultado sería una imagen en 3D del cerebro examinado. Sin embargo, los investigadores subrayan que aún queda mucho camino por recorrer hasta que esto pueda entrar en la práctica clínica.
Uno de los retos pendientes es la compleja geometría del cráneo, debido a las cavidades de los ojos, la nariz y la mandíbula, etc., que debe modelarse con precisión en la simulación sin aumentar drásticamente el tiempo de cálculo. Para resolver este problema, Marty está desarrollando métodos que crean mallas numéricas individuales para formas arbitrarias del cráneo a partir de hexaedros (pequeños elementos que tienen seis caras). "Con estos pequeños cubos deformados, somos entre 100 y 1000 veces más rápidos que si trabajáramos con tetraedros", dice Böhm. "Además, el proyecto se beneficia enormemente de los nuevos desarrollos en tarjetas gráficas, como las que tenemos en 'Piz Daint' y, en el futuro, en 'Alps'. Son ideales para este método".
Así, hace unos 6 años, el grupo de investigación trabajó con médicos para desarrollar con éxito métodos de ultrasonido para la detección temprana del cáncer de mama. El equipo investiga ahora cómo se puede examinar el cerebro con ultrasonidos. Con este método, los investigadores y los médicos podrían algún día vigilar a los pacientes con derrames cerebrales o identificar tumores cerebrales, por ejemplo.
Examen no invasivo y rentable
En comparación con la tomografía computarizada (TC) o los rayos X, los ultrasonidos tienen una ventaja decisiva: el procedimiento es casi totalmente inocuo para el organismo. Además, es mucho más rentable que la resonancia magnética (RM), por ejemplo, y los aparatos de ultrasonidos son transportables para su uso en regiones remotas. El problema, sin embargo, es que hasta ahora los ultrasonidos sólo han funcionado bien en los tejidos blandos: es muy difícil hacer pasar las ondas ultrasónicas a través de estructuras duras como el cráneo, porque el hueso refleja y amortigua mucho las ondas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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