Los investigadores desarrollan una nueva técnica de imágenes de doble modalidad y de menor costo para facilitar la detección temprana de enfermedades

El diagnóstico por imágenes es indispensable en el cuidado de la salud, ya que permite a los médicos detectar y diagnosticar una variedad de condiciones médicas. Sin embargo, a pesar de los avances significativos en la tecnología de imágenes, las técnicas de imágenes únicas existentes a menudo no logran abordar todos los escenarios de diagnóstico, lo que lleva a una mayor dependencia de múltiples tipos de imágenes y costos de atención médica más altos.

En respuesta a este desafío, los investigadores de la Universidad de Illinois Urbana Champaign han desarrollado una técnica de imágenes de modalidad dual que no solo brinda información de diagnóstico integral, sino que también proporciona una solución rentable para los proveedores de atención médica.

Las imágenes por ultrasonido (US) son una herramienta de diagnóstico frecuente y ampliamente utilizada en el cuidado de la salud. Sin embargo, está limitado por la baja calidad de la imagen y, a menudo, debe combinarse con métodos de imágenes de mayor calidad y más costosos, como la resonancia magnética. Para mejorar las imágenes de EE. UU., los profesores asistentes de ingeniería eléctrica e informática Yun-Sheng Chen y Yang Zhao, junto con el estudiante graduado de ECE Shensheng Zhao, integraron imágenes fotoacústicas (PA), imágenes de ultrasonido de súper resolución y un método de optimización con restricciones de escasez para crear un técnica de imágenes médicas de superresolución de modalidad dual. Esta nueva investigación, «Imágenes ultrasónicas híbridas fotoacústicas y de superresolución rápida», se publicó recientemente en Comunicaciones de la naturaleza.

Zhao destaca que esta nueva herramienta de imágenes presenta «más accesibilidad, portabilidad y rentabilidad. Esta técnica es significativamente más barata que las técnicas de imágenes médicas clínicas, al tiempo que proporciona funciones similares».

Las técnicas de imagen tradicionales son más efectivas para identificar enfermedades cuando un paciente presenta cambios estructurales en sus órganos. Desafortunadamente, cuando estos cambios se hacen evidentes, la enfermedad a menudo ha progresado a una etapa avanzada. Para abordar esta deficiencia, los investigadores se propusieron desarrollar una técnica de imagen más completa capaz de detectar anomalías fisiológicas y bioquímicas adicionales, como cambios en el flujo sanguíneo y la oxigenación de los tejidos. Al incorporar dos enfoques emergentes de imágenes basadas en ultrasonido, el equipo espera facilitar la detección temprana de enfermedades, lo que podría mejorar los resultados y el pronóstico de los pacientes.

La imagen fotoacústica es una técnica que utiliza la luz de un pulso láser, que es absorbida por los tejidos del cuerpo, generando señales de ultrasonido que producen imágenes. Curiosamente, cada tejido exhibe una firma única después de interactuar con la luz, lo que permite identificar tanto la estructura como el contenido del tejido. Las imágenes de PA pueden visualizar procesos fisiológicos y bioquímicos dentro del cuerpo, como el contenido de oxígeno en la sangre, la composición de los tejidos, la inflamación y la distribución de agentes de imágenes (información funcional). A pesar de las fortalezas de las imágenes de PA, también tiene sus limitaciones: su resolución está restringida, lo que hace que no pueda resolver estructuras finas como la microvasculatura, que son objetivos cruciales en varias enfermedades, incluido el cáncer y la enfermedad renal.

Las imágenes de ultrasonido de súper resolución emplean microburbujas como agentes de contraste que fluyen en el torrente sanguíneo y producen señales de ultrasonido muy fuertes. El procesamiento de señal avanzado se utiliza para eliminar la señal de fondo del tejido de ultrasonido, enfocándose únicamente en la señal de los agentes de imágenes individuales en el torrente sanguíneo. Esta técnica puede lograr una alta resolución, lo que la hace ideal para obtener imágenes de la microvasculatura y medir el flujo sanguíneo correspondiente. Dado que tanto el ultrasonido de superresolución como la imagen fotoacústica pueden compartir el mismo sistema de imagen por ultrasonido, son muy adecuados para desarrollar imágenes de modalidad dual.

La combinación de imágenes de EE. UU. de súper resolución con imágenes de PA puede parecer sencilla, pero cada técnica tiene sus propios requisitos de hardware y velocidades de adquisición. Las diferentes velocidades de adquisición son especialmente importantes, ya que los movimientos naturales de los pacientes, como la respiración y los latidos del corazón, pueden hacer que la información de la imagen cambie con el tiempo.

La aplicación de la optimización con restricciones de escasez al procesamiento de la señal alineó la velocidad de las dos técnicas de imagen, lo que permitió una exploración fluida del área de imagen. Este enfoque les permitió acelerar la velocidad de fotogramas de imágenes de ultrasonido de superresolución hasta 37 veces con datos sintéticos y 28 veces con datos in vivo. Las velocidades de imagen coincidentes permiten la grabación intercalada de los dos tipos de imágenes, lo que permite el registro conjunto exitoso de la composición química, el flujo sanguíneo y la estructura.

El equipo de investigación demostró su técnica innovadora en dos escenarios críticos in vivo: ganglios linfáticos y riñones. Los ganglios linfáticos se encuentran entre uno de los primeros lugares donde el cáncer hará metástasis, y los médicos revisarán los ganglios linfáticos de los pacientes para determinar si es necesaria una linfadenectomía. Para este proceso, es importante saber dónde está el ganglio linfático y visualizar la vasculatura compleja que rodea las células cancerosas. Con las técnicas actuales, se puede ver la vasculatura o se puede localizar el ganglio linfático, pero no ambos. Esta nueva técnica ha demostrado que puede proporcionar información tanto sobre la ubicación de los ganglios linfáticos como sobre la vasculatura.

Los riñones son otra área importante de interés, ya que aproximadamente el 15 % de los estadounidenses desarrollarán enfermedad renal y el 40 % de las personas con enfermedad renal crónica desconocen su afección hasta que se realiza un diagnóstico por imágenes. La vasculatura y la oxigenación del riñón juegan un papel vital en el desarrollo de la enfermedad renal crónica. Sin embargo, como en el caso de los ganglios linfáticos, las modalidades de imagen actuales no pueden capturar adecuadamente tanto la información estructural como la funcional. La modalidad de imagen dual permite la identificación no solo de la vasculatura distintiva del riñón sino también de la funcionalidad del tejido renal.

Chen destaca que «el principal beneficio de esta imagen es que puede proporcionar información multidimensional. Podemos agregar diferentes capas de imagen. Una capa puede ser estructural y otra capa puede ser funcional». En el futuro, su objetivo es incorporar otra capa, la información molecular, para observar cambios a nivel molecular o incluso genético, donde ocurren la mayoría de las enfermedades.

El equipo, junto con otros colaboradores del campus, está entusiasmado con las posibles aplicaciones de este novedoso método de obtención de imágenes. Están interesados ​​en utilizar el método para investigar enfermedades cerebrales neurodegenerativas. Teniendo en cuenta el papel fundamental del suministro de oxígeno en la función cerebral, esta técnica de imagen podría ofrecer una potente herramienta para obtener imágenes de la vasculatura sanguínea que lleva oxígeno al cerebro.