Un nuevo escáner portátil desarrollado por investigadores de la UCL puede producir imágenes fotoacústicas 3D muy detalladas en sólo unos segundos, allanando el camino para su uso en un entorno clínico por primera vez y ofreciendo la posibilidad de un diagnóstico más temprano.
En investigación, publicado. Ingeniería Biomédica de la Naturaleza, El equipo demuestra que su tecnología puede ofrecer tomografías fotoacústicas (PAT) a los médicos en tiempo real, proporcionándoles imágenes precisas y complejas de los vasos sanguíneos, lo que ayuda a informar la atención al paciente.
La tomografía fotoacústica utiliza ondas de ultrasonido generadas por láser para visualizar cambios sutiles (marcadores tempranos de enfermedad) en venas y arterias en una escala submilimétrica de hasta 15 mm de profundidad en el tejido humano.
Sin embargo, hasta ahora, la tecnología PAT existente ha sido demasiado lenta para producir imágenes 3D de calidad suficiente para su uso por parte de los médicos.
Los pacientes deben estar completamente inmóviles durante una exploración PAT, lo que significa que cualquier movimiento durante una exploración lenta puede desenfocar las imágenes y, por lo tanto, no garantiza imágenes clínicamente útiles.
Los escáneres PAT más antiguos tardaban más de cinco minutos en tomar una imagen; al reducir ese tiempo a unos pocos segundos o menos, la calidad de la imagen es mucho mejor y más adecuada para personas frágiles o frágiles.
Los investigadores dijeron que el nuevo escáner podría ayudar a diagnosticar cáncer, enfermedades cardiovasculares y artritis en un plazo de tres a cinco años, sujeto a pruebas adicionales.
El autor correspondiente, el profesor Paul Baird (Física Médica e Ingeniería Biomédica de la UCL y Centro Wellcome/EPSRC de Ciencias Quirúrgicas e Intervencionistas) dijo: “En los últimos años hemos recorrido un largo camino con las imágenes fotoacústicas, pero todavía había barreras para su uso en el clínica.
“El avance de esta investigación es la aceleración del tiempo necesario para adquirir imágenes, que es de 100 a 1.000 veces más rápido que los escáneres anteriores.
“Esta velocidad evita el desenfoque inducido por el movimiento, proporcionando imágenes de alta definición de una calidad que ningún otro escáner puede proporcionar. Esto significa que, en lugar de tomar cinco minutos o más, las imágenes se pueden adquirir en tiempo real, es dinámico. Hace posible imaginar fenómenos fisiológicos.
“Estos avances tecnológicos hacen que el sistema sea adecuado para uso clínico por primera vez, permitiéndonos ver aspectos de la biología y las enfermedades humanas que antes no podíamos.
“Ahora necesitamos más estudios con un grupo más grande de pacientes para confirmar nuestros resultados”.
El profesor Beard añadió que un uso potencial clave del nuevo escáner era evaluar la artritis inflamatoria, lo que requiere escanear 20 articulaciones de los dedos de ambas manos. Con el nuevo escáner, eso se puede hacer en minutos; los escáneres PAT más antiguos tardaban alrededor de una hora, lo cual es demasiado para pacientes mayores y frágiles, afirmó.
Probar el escáner en pacientes
En el estudio, el equipo probó el escáner durante pruebas preclínicas en 10 pacientes con diabetes tipo 2, artritis reumatoide o cáncer de mama, junto con siete voluntarios sanos.
En tres pacientes con diabetes tipo 2, el escáner pudo producir imágenes tridimensionales detalladas de la microvasculatura de la pierna, destacando la deformación de los vasos y los cambios estructurales. El escáner se utilizó para visualizar la inflamación de la piel asociada con el cáncer de mama.
Andrew Plumb, profesor asociado de imágenes médicas en la UCL y radiólogo consultor en la UCLH y autor principal del estudio, dijo: “Una de las complicaciones que suelen sufrir las personas con diabetes es el flujo sanguíneo deficiente a los pies y las extremidades inferiores. pies, esto debido al daño en los pequeños vasos sanguíneos de la zona pero hasta ahora no hemos podido ver qué causa este daño ni cómo se desarrolla.
“En uno de nuestros pacientes, podemos ver vasos lisos y uniformes en la pierna izquierda y vasos distorsionados y ondulados en la misma área de la pierna derecha, lo que indica un problema que puede provocar daño tisular en el futuro. Las imágenes fotoacústicas pueden “Nos brindará mucha información más detallada para facilitar el diagnóstico temprano, así como una mejor comprensión de la progresión de la enfermedad en general”.
Tomografía fotoacústica
Desde su desarrollo inicial en 2000, la PAT ha sido anunciada durante mucho tiempo por revolucionar nuestra comprensión de los procesos biológicos y por tener el potencial de mejorar la evaluación clínica del cáncer y otras enfermedades importantes.
Funciona mediante el efecto fotoacústico, que se produce cuando los materiales absorben la luz y generan ondas sonoras.
Los escáneres PAT funcionan disparando ráfagas de láser muy cortas en el tejido biológico. Parte de esta energía se absorbe, dependiendo del color del objetivo, provocando un ligero aumento de calor y presión que produce una débil onda de ultrasonido que contiene información sobre el tejido. Todo el proceso tiene lugar en apenas una fracción de segundo.
En investigaciones anteriores, físicos e ingenieros de la UCL (dirigidos por el profesor Beard) descubrieron que las ondas ultrasónicas se podían detectar utilizando luz.
A principios de la década de 2000, fueron pioneros en un sistema en el que una onda sonora provoca cambios mínimos en el espesor de una fina película de plástico que se pueden medir utilizando un rayo láser altamente sintonizado.
Los resultados revelaron estructuras de tejido nunca antes vistas.
Cómo la PAT puede ayudar a diagnosticar enfermedades
Para algunas afecciones, como la enfermedad vascular periférica (PVD), una complicación de la diabetes, es posible que no se observen signos tempranos de cambios en los vasos sanguíneos pequeños indicativos de la enfermedad mediante técnicas de imagen convencionales como las resonancias magnéticas.
Pero con las imágenes PAT pueden proporcionar tratamiento antes de que se dañe el tejido y prevenir la mala cicatrización de las heridas y la amputación, dice el artículo. La EVP afecta a más de 25 millones de personas en Estados Unidos y Europa, añade.
De manera similar, en el caso del cáncer, los tumores suelen tener una alta concentración de pequeños vasos sanguíneos que son demasiado pequeños para verlos con otras técnicas de imagen.
El Dr. Nam Huynh, de Física Médica e Ingeniería Biomédica de la UCL, que desarrolló el escáner con su colega, el Dr. Edward Zhang, dijo: “Las imágenes fotoacústicas se pueden utilizar para detectar tumores y observarlos con relativa facilidad. También pueden ayudar a los cirujanos oncológicos a diferenciarlos mejor”. “La visualización de los vasos sanguíneos tumorales del tejido normal ayuda a garantizar que se extirpe todo el tumor durante la cirugía, y puedo imaginar muchas maneras en que esto sería útil para reducir el riesgo de recurrencia”.
El Dr. Huynh añadió que una ventaja importante de la tecnología es que es sensible a la hemoglobina. Son las moléculas que absorben la luz, como la hemoglobina, las que generan ondas de ultrasonido.
Mejorar y probar la velocidad del escáner
En este estudio, los investigadores de la UCL intentaron superar el problema de la velocidad reduciendo el tiempo necesario para adquirir imágenes. Lo lograron mediante innovaciones en el diseño de escáneres y las matemáticas utilizadas para generar imágenes.
A diferencia de los escáneres PAT anteriores, que medían ondas de ultrasonido en más de 10.000 puntos diferentes de la superficie del tejido a la vez, el nuevo escáner las detecta en múltiples puntos simultáneamente, lo que reduce significativamente el tiempo de adquisición de imágenes.
El equipo de investigación también empleó principios matemáticos similares a los utilizados en la compresión de imágenes digitales. Esto permitió reconstruir imágenes de alta calidad a partir de decenas de miles (en lugar de miles) de mediciones de ondas de ultrasonido, lo que nuevamente aceleró la adquisición de imágenes. Estas innovaciones reducen el tiempo de obtención de imágenes a segundos o menos, eliminan el desenfoque de movimiento y permiten obtener imágenes de cambios dinámicos en el tejido.
Los científicos dijeron que se necesitaba más investigación para confirmar los resultados de su estudio con un grupo más grande de pacientes y cuán útil sería el escáner en la práctica.
Los primeros pasos en el desarrollo de la tomografía fotoacústica para imágenes médicas se dieron en el año 2000, pero los orígenes de la técnica se remontan a la década de 1880, cuando el ex estudiante de la UCL Alexander Graham Bell observó la conversión de la luz solar en sonido audible a partir de la invención del teléfono.
En 2019, los miembros del equipo de investigación de la UCL fundaron DeepColor Imaging, una empresa derivada de la UCL que ahora comercializa una gama de escáneres basados en tecnología PAT en todo el mundo.
Esta investigación fue apoyada por Cancer Research UK, el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas, Wellcome, el Consejo Europeo de Investigación y el Centro de Investigación Biomédica del Hospital Universitario de Londres del Instituto Nacional de Investigación en Salud.