El nuevo escáner portátil genera imágenes 3D en segundos para facilitar el diagnóstico temprano

Un nuevo escáner portátil desarrollado por investigadores de la UCL puede generar 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 de la enfermedad.

En el estudio, publicado en Ingeniería Biomédica de la Naturaleza, El equipo muestra que su tecnología puede ofrecer tomografías fotoacústicas (PAT) a los médicos en tiempo real, proporcionándoles imágenes precisas e intrincadas 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 (un marcador temprano de enfermedad) en venas y arterias de escala inferior a un milímetro y hasta 15 mm de profundidad en los tejidos humanos.

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.

Durante una exploración PAT, los pacientes deben estar completamente inmóviles, lo que significa que cualquier movimiento durante una exploración más lenta puede hacer que las imágenes se vuelvan borrosas 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 mejora mucho y es mucho más adecuada para personas frágiles o enfermas.

Los investigadores dicen que el nuevo escáner podría ayudar a diagnosticar cáncer, enfermedades cardiovasculares y artritis en un plazo de tres a cinco años, sujeto a más pruebas.

El autor correspondiente, el profesor Paul Beard (Física Médica e Ingeniería Biomédica de la UCL y el Centro Wellcome/EPSRC de Ciencias Quirúrgicas e Intervencionistas), dijo: «Hemos recorrido un largo camino con las imágenes fotoacústicas en los últimos años, pero todavía había barreras para usar eso en la clínica.

«El avance de este estudio es la aceleración del tiempo necesario para adquirir imágenes, que es entre 100 y 1.000 veces más rápido que los escáneres anteriores.

«Esta velocidad evita la borrosidad inducida por el movimiento, proporcionando imágenes muy detalladas de una calidad que ningún otro escáner puede proporcionar. También significa que, en lugar de tardar cinco minutos o más, las imágenes se pueden adquirir en tiempo real, lo que permite visualizar imágenes dinámicas. Eventos fisiológicos.

«Estos avances técnicos hacen que el sistema sea adecuado para uso clínico por primera vez, lo que nos permite observar aspectos de la biología y las enfermedades humanas que no habíamos podido antes.

«Ahora se necesita más investigación con grupos más grandes de pacientes para confirmar nuestros hallazgos».

El profesor Beard añadió que un uso potencial clave del nuevo escáner era evaluar la artritis inflamatoria, lo que requiere escanear las 20 articulaciones de los dedos de ambas manos. Con el nuevo escáner, esto se puede hacer en unos pocos minutos; los escáneres PAT más antiguos tardan casi una hora, lo cual es demasiado para pacientes ancianos y frágiles, dijo.

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 los pies, destacando deformidades y cambios estructurales en los vasos. El escáner se utilizó para visualizar la inflamación de la piel relacionada 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 bajo flujo sanguíneo en las extremidades, como los pies y la parte inferior piernas, debido al daño a los pequeños vasos sanguíneos en estas áreas, pero hasta ahora, no hemos podido ver exactamente qué está sucediendo para causar este daño o caracterizar cómo se desarrolla.

«En uno de nuestros pacientes, pudimos ver vasos lisos y uniformes en el pie izquierdo y vasos deformados y ondulados en la misma región del pie derecho, indicativos de problemas que pueden conducir a daños tisulares en el futuro. Las imágenes fotoacústicas podrían darnos mucho información más detallada para facilitar el diagnóstico temprano, así como comprender mejor la progresión de la enfermedad en general».

Tomografía fotoacústica

Desde su desarrollo inicial en el año 2000, se ha anunciado durante mucho tiempo que la PAT tiene el potencial de revolucionar nuestra comprensión de los procesos biológicos y 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 producen ondas sonoras.

Los escáneres PAT funcionan disparando ráfagas de láser muy cortas al tejido biológico. Parte de esta energía se absorbe, dependiendo del color del objetivo, provocando un ligero aumento de calor y presión que a su vez genera una débil onda de ultrasonido que contiene información sobre el tejido. Todo el proceso se desarrolla en apenas una fracción de segundo.

En investigaciones anteriores, lo que físicos e ingenieros de la UCL (dirigidos por el profesor Beard) descubrieron fue que la onda ultrasónica se puede 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 que nunca antes se habían visto.

Cómo PAT podría ayudar a la detección de enfermedades

Para algunas afecciones, como la enfermedad vascular periférica (PVD), una complicación de la diabetes, los primeros signos de cambios en los pequeños vasos sanguíneos indicativos de la enfermedad no se pueden ver mediante técnicas de imagen convencionales como las resonancias magnéticas.

Pero con las imágenes PAT pueden hacerlo, lo que ofrece la posibilidad de realizar un tratamiento antes de que se dañe el tejido y evitar una mala cicatrización de las heridas y la amputación, afirma 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 densidad 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, quien desarrolló el escáner con su colega Dr. Edward Zhang, dijo: «Las imágenes fotoacústicas podrían usarse para detectar el tumor y monitorearlo con relativa facilidad.

«También podría usarse para ayudar a los cirujanos oncológicos a distinguir mejor el tejido tumoral del tejido normal al visualizar los vasos sanguíneos del tumor, ayudando a garantizar que se extirpe todo el tumor durante la cirugía y minimizando el riesgo de recurrencia. Puedo imaginar muchas maneras será útil.»

El Dr. Huynh añadió que una ventaja clave de la tecnología era que era sensible a la hemoglobina. Son las moléculas que absorben la luz, como la hemoglobina, las que producen las 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 innovando en el diseño del escáner y las matemáticas utilizadas para generar las imágenes.

A diferencia de los escáneres PAT anteriores, que medían las ondas de ultrasonido en más de 10.000 puntos diferentes sobre la superficie del tejido, uno a la vez, el nuevo escáner las detecta en múltiples puntos simultáneamente, reduciendo considerablemente 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 unos pocos miles (en lugar de decenas de miles) de mediciones de la onda ultrasónica, acelerando nuevamente la adquisición de imágenes.

Estas innovaciones redujeron el tiempo de obtención de imágenes a unos pocos segundos o menos de un segundo, eliminando el desenfoque por movimiento y permitiendo tomar imágenes de cambios dinámicos en el tejido.

Los científicos dijeron que se necesitaba más investigación con un grupo más grande de pacientes para confirmar los hallazgos de su estudio y hasta qué punto el escáner sería clínicamente útil en la práctica.

Los primeros pasos para desarrollar la tomografía fotoacústica para imágenes médicas se dieron en el año 2000, pero los orígenes de la técnica se remontan a 1880, cuando el ex estudiante de la UCL Alexander Graham Bell, recién inventado el teléfono, observó la conversión de la luz solar en sonido audible.

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.