La ciencia del sonido, la vibración para diagnosticar y tratar mejor las enfermedades cerebrales
Los investigadores de Georgia Tech alinean el excitador electrodinámico y la configuración del vibrómetro láser Doppler para experimentos de vibración. Crédito: Allison Carter, asistentes de investigación de Georgia Tech Graduate Eetu Kohtanen y Pradosh Dash y los investigadores postdoctorales Christopher Sugino y Bowen Jing prueban un cráneo humano para medir y caracterizar su respuesta de vibración. Crédito: Allison Carter, Georgia Tech
Un equipo de investigadores de ingeniería del Instituto de Tecnología de Georgia espera descubrir nuevas formas de diagnosticar y tratar dolencias cerebrales, desde tumores y accidentes cerebrovasculares hasta la enfermedad de Parkinson, aprovechando las vibraciones y las ondas de ultrasonido.
El proyecto de cinco años y USD 2 millones de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) iniciado en 2019 ya ha dado como resultado varios artículos publicados en revistas que ofrecen nuevos métodos prometedores para enfocar las ondas de ultrasonido a través del cráneo, lo que podría conducir a un uso más amplio de las imágenes de ultrasonido. más seguro y menos costoso que la tecnología de imágenes por resonancia magnética (MRI).
Específicamente, el equipo está investigando un amplio rango de frecuencias, que abarca vibraciones de baja frecuencia (rango de frecuencia de audio) y ondas guiadas de frecuencia moderada (100 kHz a 1 MHz) a las altas frecuencias empleadas en imágenes cerebrales y terapia (en el rango de MHz).
«Estamos llegando a un marco único que incorpora diferentes perspectivas de investigación para abordar cómo se usa el sonido y la vibración para tratar y diagnosticar enfermedades cerebrales», explicó Costas Arvanitis, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech y el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter en G eorgia Tech y la Universidad de Emory. «Cada investigador está aportando su propia experiencia para explorar cómo las vibraciones y las ondas en un rango de frecuencias podrían extraer información del cerebro o concentrar la energía en el cerebro».
Acceder al cerebro es un desafío difícil
p>
Si bien es posible tratar algunos tumores y otras enfermedades cerebrales de manera no invasiva si están cerca del centro del cerebro, muchas otras afecciones son más difíciles de acceder, dicen los investigadores.
» La parte central del cerebro es más accesible; sin embargo, incluso si puede apuntar a la parte del cerebro alejada del centro, todavía tiene que atravesar el cráneo», dijo Arvanitis.
Él agregó que mover solo 1 milímetro en el cerebro constituye «una gran distancia» desde una perspectiva de diagnóstico. La comunidad científica reconoce ampliamente la complejidad del cerebro, cada parte asociada con una función diferente y células cerebrales que difieren entre sí.
Según Brooks Lindsey, profesor asistente de ingeniería biomédica en Georgia Tech y Emory, hay es una de las razones por las que las imágenes cerebrales o la terapia funcionan bien en algunas personas pero no en otras.
«Depende de las características individuales del cráneo del paciente», dijo, y señaló que algunas personas tienen un poco más de hueso trabecular. la parte esponjosa y porosa del hueso? eso hace que sea más difícil de tratar.
Usando ondas de ultrasonido, los investigadores están abordando el desafío en múltiples niveles. El laboratorio de Lindsey utiliza imágenes de ultrasonido para evaluar las propiedades del cráneo para obtener imágenes y terapias efectivas. Dijo que su equipo realizó la primera investigación que utiliza imágenes de ultrasonido para medir los efectos de la microestructura ósea, específicamente, el grado de porosidad en la capa ósea trabecular interna del cráneo.
«Al comprender la transmisión de ondas acústicas a través de microestructura en el cráneo de un individuo, las imágenes de ultrasonido no invasivas del cerebro y la administración de la terapia podrían ser posibles en un mayor número de personas», dijo, explicando que una aplicación potencial sería obtener imágenes del flujo sanguíneo en el cerebro después de un accidente cerebrovascular.
Investigadores de Georgia Tech alinean el excitador electrodinámico y la configuración del vibrómetro láser Doppler para experimentos de vibración. Crédito: Allison Carter, Georgia Tech
Reenfocando haces de ultrasonido sobre la marcha
El laboratorio de Arvanitis encontró recientemente una nueva forma de enfocar el ultrasonido a través del cráneo y hacia el cerebro, que es «100 veces más rápido que cualquier otro método», dijo Arvanitis. El trabajo de su equipo en técnicas de enfoque adaptativo permitiría a los médicos ajustar el ultrasonido sobre la marcha para enfocarlo mejor.
«Los sistemas actuales dependen mucho de las resonancias magnéticas, que son grandes, voluminosas y extremadamente caras», dijo. dijo. «Este método te permite adaptar y reenfocar el haz. En el futuro, esto podría permitirnos diseñar sistemas más simples y menos costosos, lo que haría que la tecnología estuviera disponible para una población más amplia, además de ser capaz de tratar diferentes partes del cerebro». «
La tomografía computarizada de alta resolución y la tomografía microcomputadora se utilizan para la vibración y la propagación de ondas en modelos computacionales, que luego se comparan con experimentos que analizan la vibración y el ultrasonido en el cráneo humano. Crédito: Georgia Tech
Uso de ‘ondas guiadas’ para acceder a áreas periféricas del cerebro
Otra cohorte de investigación, dirigida por Alper Erturk, profesor Woodruff de Ingeniería Mecánica en Georgia Tech, y el excolega de Georgia Tech Massimo Ruzzene, Slade Profesor de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Colorado Boulder, realiza un modelado de alta fidelidad de la mecánica del hueso del cráneo junto con la identificación de parámetros elásticos basados en vibraciones. También aprovechan las ondas ultrasónicas guiadas en el cráneo para expandir el tratamiento en el cerebro. Erturk y Ruzzene son ingenieros mecánicos de formación, lo que hace que su exploración de vibraciones y ondas guiadas en áreas cerebrales de difícil acceso sea especialmente fascinante.
Erturk señaló que las ondas guiadas se utilizan en otras aplicaciones como la aeroespacial y estructuras civiles para la detección de daños. «El modelado preciso de la geometría y la microestructura óseas complejas, combinado con experimentos rigurosos para la identificación de parámetros, es crucial para una comprensión fundamental para expandir la región accesible del cerebro», dijo.
Ruzzene comparó el cerebro y cráneo al núcleo y la corteza de la Tierra, con las ondas guiadas craneales actuando como un terremoto. Así como los geofísicos usan datos de terremotos en la superficie de la Tierra para comprender el núcleo de la Tierra, Erturk y Ruzzene usan las ondas guiadas para generar pequeños «terremotos» de alta frecuencia en la superficie externa del cráneo para caracterizar lo que comprende el hueso craneal. /p>
Tratar de acceder a la periferia del cerebro a través de ultrasonido convencional presenta riesgos adicionales debido al calentamiento del cráneo. Afortunadamente, los avances como las ondas de cordero con fugas craneales son cada vez más reconocidas por transmitir energía de onda a esa región del cerebro.
Estas ondas guiadas craneales podrían complementar las aplicaciones de ultrasonido enfocadas para monitorear cambios en la médula ósea craneal debido a trastornos de salud. , o para transmitir de manera eficiente señales acústicas a través de la barrera del cráneo, lo que podría ayudar a acceder a las metástasis y tratar afecciones neurológicas en regiones del cerebro que actualmente son inaccesibles.
En última instancia, los cuatro investigadores esperan que su trabajo haga factibles las imágenes cerebrales completas. al mismo tiempo que estimula nuevas técnicas médicas de imagen y terapia. Además de transformar el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades cerebrales, las técnicas podrían detectar mejor traumas y defectos relacionados con el cráneo, mapear la función cerebral y permitir la neuroestimulación. Los investigadores también ven el potencial de descubrir aberturas de barrera hematoencefálica basadas en ultrasonido para la administración de fármacos para controlar y tratar enfermedades como el Alzheimer.
Explore más
Ultrasonido en el tratamiento de enfermedades cerebrales Más información: Christopher Sugino et al, Experimental and Computational Investigation of Guided Waves in a Human Skull, Ultrasound in Medicine & Biology (2020) ). DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2020.11.019
M. Mazzotti, E. Kohtanen, A. Erturk y M. Ruzzene, «Características de radiación de las ondas de cordero con fugas craneales». IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2021, doi.org/10.1109/TUFFC.2021.3057309
S. Schoen, C. Arvanitis, «Método de espectro angular heterogéneo para imágenes y enfoque trans-cráneo». IEEE Xplore, 2020, ieeexplore.ieee.org/document/8902167
B. Jing, C. Arvanitis, B. Lindsey, «Efecto del ángulo de incidencia y la conversión del modo de onda en la imagen Doppler ultrarrápida transcraneal». IEEE Xplore, 2020, ieeexplore.ieee.org/document/9251477