A veces el progreso científico se produce en forma de descubrimiento de algo completamente nuevo. Otras veces, el progreso se reduce a hacer algo mejor, más rápido o más fácil. La tecnología mejorada de imágenes fotoacústicas PACTER de Caltech simplifica los procedimientos operativos, logra imágenes tridimensionales y reduce la complejidad operativa, lo que marca un avance importante en el campo de las imágenes médicas.
La última investigación del laboratorio de Leehom Wang, profesor Bren de Ingeniería Médica e Ingeniería Eléctrica en Caltech, entra en la última categoría. En un artículo publicado en la revista Nature Biomedical Engineering, Leehom Wang y el investigador postdoctoral Zhang Yide muestran cómo simplificaron y mejoraron una técnica de imágenes que anunciaron por primera vez en 2020.
La tecnología, una técnica de imágenes fotoacústicas llamada PATER (Topografía fotoacústica mediante retransmisión de polaridad), es una especialidad del grupo de investigación de Wang Jianmin.
Mejoras en la tecnología de imágenes fotoacústicas.
En las imágenes fotoacústicas, los pulsos de láser ingresan al tejido y son absorbidos por las moléculas del tejido, lo que hace que las moléculas vibren. Cada molécula vibrante es una fuente de ondas de ultrasonido, que pueden usarse para obtener imágenes de estructuras internas de manera similar a las imágenes de ultrasonido.
Sin embargo, la obtención de imágenes fotoacústicas supone un desafío técnico porque produce toda la información de la imagen en poco tiempo. Para capturar esta información, las primeras versiones de la tecnología de imágenes fotoacústicas de Wang requerían conjuntos de cientos de sensores (transductores) presionados contra la superficie del tejido del que se estaban tomando imágenes, lo que hacía que la tecnología fuera compleja y costosa.
Wang y Zhang redujeron la cantidad de sensores necesarios mediante el uso de un dispositivo llamado "relé Maiji", que ralentiza el flujo de información (en forma de vibraciones) hacia el sensor. Como explicaron informes anteriores sobre PATER:
En informática, existen dos métodos principales de transferencia de datos: en serie y en paralelo. En la transmisión en serie, los datos se envían a través de un canal de comunicación en un único flujo de datos. En la transmisión paralela, se envían múltiples datos simultáneamente a través de múltiples canales de comunicación.
Estos dos métodos de comunicación son más o menos similares a cómo se utilizan las cajas registradoras en las tiendas. La comunicación en serie es como una caja registradora. Todos están en la misma fila y ven al mismo cajero. La comunicación paralela es como tener varias cajas registradoras, cada una con una línea.
El sistema que Wang diseñó con 512 sensores es similar a una tienda con muchas cajas registradoras. Todos los sensores funcionan simultáneamente y cada sensor recibe datos parciales de las vibraciones ultrasónicas generadas por los pulsos láser.
Debido a que las vibraciones ultrasónicas emitidas por el sistema se generan en un corto período de tiempo, un solo sensor se vería abrumado si todos los datos se recopilaran en un período de tiempo tan corto. Aquí es donde entra en juego el relevo de Magallanes.
Como lo describe Leehom Wang, un repetidor ergódico es una cavidad que permite que el sonido reverbere a su alrededor. A medida que las vibraciones ultrasónicas pasan a través del repetidor ergódico, se alargan en el tiempo. Volviendo a la analogía de la caja registradora, esto sería como tener otro empleado ayudando a un solo cajero diciéndole a los clientes que caminen por la tienda hasta que el cajero esté listo para atenderlos, de modo que el cajero no esté luchando.
PACTER: próximos pasos
La última versión de esta tecnología, denominada PACTER (PhotoacousticComputedTomographyThroughanErgodicRelay), va un paso más allá, permitiendo que el sistema funcione con un solo sensor y, mediante el uso de un software, recopile tantos datos como 6.400 sensores.
Wang, quien también es presidente Andrew y Peggy Cherng de Liderazgo en Ingeniería Médica y director ejecutivo de Ingeniería Médica, dijo que PACTER mejora a PATER de otras dos maneras.
Una de las mejoras es que PACTER puede generar imágenes tridimensionales, mientras que PATER solo puede generar imágenes bidimensionales. Esto se debe al desarrollo de software mejorado.
"La transición a las imágenes 3D ha aumentado considerablemente los requisitos de datos. El desafío que enfrentamos es cómo transmitir datos enormemente aumentados a través de un solo sensor", dijo Zhang. "Encontramos la solución cambiando nuestro enfoque. En lugar de emplear directamente métodos computacionalmente intensivos para reconstruir imágenes 3D a partir de datos de un solo sensor, primero expandimos un sensor a miles de sensores virtuales. Esta idea simplifica el proceso de reconstrucción de imágenes 3D, acercándolo a nuestros métodos tradicionales de imágenes fotoacústicas".
En segundo lugar, a diferencia de PATER, PACTER no requiere calibración cada vez que se utiliza.
"Con PATER, tenemos que calibrarlo cada vez que lo usamos, y eso no es realista. Nos deshacemos de esta calibración única cada vez que lo usamos", dijo Wang. Se requiere calibración porque cuando el sistema dispara pulsos láser al tejido, el "eco" del pulso rebota en el transductor, haciéndolo incapaz de detectar información ultrasónica directa. PACTER resuelve este problema agregando una línea de retardo al sistema. La línea de retardo obliga al eco a tomar un camino físico más largo en su camino de regreso al transductor para que llegue al transductor después de recibir la información ultrasónica directa.
El artículo que describe el trabajo, "Imágenes longitudinales ultrarrápidas de hemodinámica con tomografía fotoacústica de volumen de disparo único utilizando detectores de un solo elemento", aparece en la edición del 30 de noviembre de Nature Biomedical Engineering. Los coautores del artículo incluyen: Hu Peng (Ph.D. 23 años), ex estudiante de posgrado en ingeniería médica; Li Lei (Ph.D. 19 años), ex becario postdoctoral en ingeniería médica; Cao Rui, becario postdoctoral en ingeniería médica; Anjul Khadria, ex becario postdoctoral en ingeniería médica; Konstantin Maslov, ex científico del personal de Caltech; Tong Xin, estudiante de posgrado en ingeniería médica; y Zeng Yushun, Jiang Laiming y Zhou Qifa de la Universidad del Sur de California.
La financiación de la investigación fue proporcionada por los Institutos Nacionales de Salud.
Fuente compilada: ScitechDaily