Tanto el ultrasonido para imágenes médicas como la sismología para obtener imágenes del interior de la Tierra miden la propagación de ondas a través de la materia. Por ejemplo, cuando las ondas sísmicas encuentran diferencias materiales 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 sobre la composición de las rocas y sus propiedades materiales, como la densidad, la presión o la temperatura.

Con la ayuda de algoritmos sofisticados y computadoras de alto rendimiento como Piz Daint en CSCS, investigadores como Andreas Fichtner de ETH Zurich, profesor del Instituto de Geofísica y jefe del Grupo de Sismología y Física de Ondas, pueden usar estos datos de onda para caracterizar los tres -Estructura dimensional de la Tierra. Los paralelismos con la propagación entre el ultrasonido y las ondas sísmicas, así como el conocimiento del equipo en el campo de la física de las ondas (cómo la información que transportan las ondas se puede usar y convertir en imágenes) llevaron al profesor de la ETH y a su grupo a estudiar también las ondas. propagación para ultrasonido médico.

Los investigadores continúan trabajando junto con los médicos del hospital universitario de la Universidad de Zúrich para desarrollar aún más estas técnicas. Si Marty tiene éxito durante los próximos tres años de su tesis doctoral en el desarrollo de los procedimientos para mallar y generar imágenes del cerebro, estos mismos métodos pueden transferirse a otras partes del cuerpo, como las rodillas o los codos. Esto serviría como una base prometedora para desarrollar un dispositivo de ultrasonido correspondiente.

Patrick Marty, Ph.D. estudiante del grupo de Fichtner, ahora está desarrollando en su tesis doctoral un método para superar este desafío con el apoyo de Christian Böhm, científico senior en el Grupo de Sismología y Física Ondulatoria. Este método debería proporcionar la base para obtener imágenes del cerebro con ultrasonido en alta resolución, según los científicos.

Para simular la propagación de ondas a través del cerebro, los investigadores están desarrollando algoritmos que realizan muchos cálculos sobre una cuadrícula especial conocida como malla. En el corazón de esto hay un paquete de software llamado Salvus. Desarrollado en ETH Zurich con el apoyo de CSCS, Salvus modela la propagación del campo de onda completo (forma de onda completa) en escalas espaciales que van desde unos pocos milímetros hasta miles de kilómetros. Los sismólogos de ETH utilizan este software para simular ondas sísmicas, por ejemplo, para explorar el interior de la Tierra o Marte, y ahora también para imágenes médicas. El paquete de software utiliza el método de elementos espectrales (SEM), que es particularmente adecuado para simular la propagación de ondas en medios con transiciones de materiales de alto contraste, como tejido cerebral blando y hueso.

"A diferencia del ultrasonido convencional, que solo usa el tiempo de llegada de las ondas, usamos toda la información de las ondas en nuestras simulaciones", dice Marty. Esto significa que la forma, la frecuencia, la velocidad y la amplitud de la onda en cada punto de su propagación fluyen en los cálculos.

Aprendizaje en un escáner de resonancia magnética

Para su modelo, los investigadores primero usan una resonancia magnética del cerebro como referencia. Luego, en la supercomputadora 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 común a la ecografía convencional. Al usar toda la información del campo de onda completo, los investigadores pueden mapear correctamente las propiedades físicas del medio (la velocidad a la que las ondas de ultrasonido se propagan a través del tejido, sus propiedades de amortiguación y la densidad del tejido) en cada punto del tejido. cerebro. Esto finalmente permite 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 asociado a los diferentes tipos de tejidos se conocen a partir de experimentos de laboratorio.

Los investigadores están convencidos de que este método se puede utilizar para distinguir el tejido sano del tejido enfermo y, al mismo tiempo, no es invasivo y es rentable. En concreto, este método podría introducirse en un ordenador integrado en un dispositivo de ultrasonido especialmente desarrollado para este fin. La computadora realizaría una serie de cálculos utilizando las señales de ultrasonido registradas por los sensores, y el resultado sería una imagen tridimensional del cerebro que se está examinando. Sin embargo, los investigadores enfatizan que todavía queda un largo camino por recorrer hasta que esto pueda entrar en la práctica clínica.

Un desafío pendiente particular es la geometría compleja 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 de cráneos a partir de hexaedros (pequeños elementos que tienen seis caras). "Con estos pequeños cubos deformados, somos de 100 a 1000 veces más rápidos que si estuviéramos trabajando con tetraedros", dice Böhm. “Además, el proyecto se beneficia mucho de los nuevos desarrollos en tarjetas gráficas, como las que tenemos en Piz Daint y, en un futuro, en Alps. Son ideales para este método”.

Así, hace unos seis 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 ahora está investigando cómo se puede examinar el cerebro con ultrasonido. Con este método, los investigadores y los médicos algún día podrían monitorear a los pacientes con accidentes cerebrovasculares o identificar tumores cerebrales, por ejemplo.

Examen no invasivo y rentable

En comparación con la tomografía computarizada (TC) o los rayos X, el ultrasonido tiene una ventaja decisiva:el procedimiento es casi completamente inofensivo para el cuerpo. Además, es mucho más rentable que la resonancia magnética nuclear (RMN), por ejemplo, y los dispositivos de ultrasonido son transportables para su uso en regiones remotas. Sin embargo, el problema es que, hasta ahora, el ultrasonido solo ha funcionado bien para los tejidos blandos:es muy difícil obtener ondas de ultrasonido a través de estructuras duras como el cráneo, porque el hueso refleja y amortigua fuertemente las ondas. + Explora más

Modelo teórico que describe el movimiento de las ondas de ultrasonido en presencia de múltiples burbujas