Angiografía acústica

Una rama específica de la ecografía con contraste , la angiografía acústica es una técnica de imágenes médicas mínimamente invasiva y no ionizante que se utiliza para visualizar la vasculatura. ^[1] La angiografía acústica fue desarrollada por primera vez por el Laboratorio Dayton de la Universidad Estatal de Carolina del Norte ^[1] y proporciona una alternativa segura, portátil y económica a los métodos más comunes de angiografía, como la angiografía por resonancia magnética y la angiografía por tomografía computarizada . Aunque la ecografía tradicionalmente no muestra la alta resolución de la resonancia magnética o la tomografía computarizada, la ecografía de alta frecuencia (HFU) logra una resolución relativamente alta sacrificando cierta profundidad de penetración. ^[2] La HFU normalmente utiliza ondas entre 20 y 100 MHz y logra una resolución de 16-80 μm a profundidades de 3-12 mm. ^[2] Aunque la HFU ha mostrado una resolución adecuada para monitorear cosas como el crecimiento del tumor en las capas de la piel, ^[2] por sí sola carece de la profundidad y el contraste necesarios para obtener imágenes de los vasos sanguíneos. ^[3] La angiografía acústica supera las debilidades de la HFU al combinar la ecografía con contraste con el uso de un transductor de ecografía de doble elemento para lograr una visualización de alta resolución de los vasos sanguíneos a niveles de penetración relativamente profundos.

La angiografía acústica se realiza inyectando en primer lugar microburbujas especialmente diseñadas con una frecuencia de resonancia baja en los vasos. A continuación, se utiliza un elemento transductor de baja frecuencia con una buena penetración en profundidad para enviar ondas de ultrasonido a la muestra a la frecuencia de resonancia de las microburbujas. ^[3] Esto generará una respuesta de las microburbujas que consta de frecuencias subarmónicas, fundamentales y superarmónicas, así como una respuesta del tejido circundante que consta únicamente de las frecuencias fundamentales y de segundo armónico. ^[1] Por último, se utiliza un transductor de alta frecuencia con alta resolución para medir las frecuencias superarmónicas, eliminando eficazmente cualquier señal de fondo de la señal de las microburbujas y permitiendo visualizar los vasos ^[3].

La angiografía , o el examen de los vasos sanguíneos, es esencial en muchas áreas de investigación y práctica clínica. En particular, la angiografía es necesaria para monitorear la angiogénesis , que es el crecimiento y desarrollo de nuevos vasos sanguíneos. La angiogénesis es un proceso esencial que se observa con mayor frecuencia en el crecimiento de órganos en fetos y niños, el desarrollo de la placenta en adultos y la cicatrización de heridas. ^[4] Sin embargo, se ha observado una angiogénesis excesiva en docenas de trastornos, incluida la diabetes, la endometriosis, las enfermedades autoinmunes y el asma. ^[4] La angiografía se ha utilizado en la investigación, el diagnóstico y el tratamiento de muchos de estos trastornos. Quizás la aplicación más importante de la angiografía para monitorear la angiogénesis es en el crecimiento tumoral. Los tumores pueden existir durante meses o incluso años en una etapa de desarrollo no angiogénica y solo comienzan un crecimiento rápido una vez que se expresa el fenotipo angiogénico. ^[5] Por lo tanto, la angiogénesis se ha convertido en un objetivo para ciertas terapias contra el cáncer. Algunas terapias tienen como objetivo promover el desarrollo organizado de los vasos sanguíneos en las regiones tumorales, lo que permite una distribución más homogénea y efectiva de la quimioterapia. ^[6] Otros métodos tienen como objetivo bloquear por completo el inicio o la progresión de la angiogénesis. ^[7] En ambos casos, la angiografía es esencial para medir el crecimiento, la recesión o la forma de los vasos sanguíneos in vivo a lo largo del tiempo durante estos tratamientos y las investigaciones relacionadas ^[7]

Actualmente, las técnicas más comunes utilizadas para la angiografía son la TC de rayos X y la RMN . Sin embargo, se utilizan muchos otros métodos para realizar la angiografía en circunstancias especiales, como el uso de la tomografía de coherencia óptica para realizar la angiografía durante los exámenes de retina. ^[8] La angiografía por RMN proporciona la resolución más alta de los métodos angiográficos actuales ^[7] y, a menudo, se puede realizar sin el uso de agentes de contraste modificando la secuencia de pulsos para visualizar aspectos de los vasos como el flujo sanguíneo. ^[9] Por otro lado, la angiografía por TC de rayos X requiere el uso de un agente de contraste , pero aún mantiene una resolución relativamente alta. ^[10] A pesar de las imágenes de alta calidad producidas por ambas técnicas, siguen existiendo inconvenientes importantes. Ambas son relativamente lentas y requieren equipos costosos, mientras que la TC de rayos X también expone a los pacientes a una radiación ionizante potencialmente dañina. Por lo tanto, todavía existe la necesidad de un candidato económico, portátil y seguro para la angiografía. La angiografía acústica puede satisfacer esta necesidad. Al utilizar microburbujas como agente de contraste y un transductor de doble elemento para la identificación de señales, la angiografía acústica logra profundidad, contraste vascular y resolución que no son posibles con otras técnicas de ultrasonido.

Los agentes de contraste para ecografía son partículas que se utilizan en las ecografías para mejorar el contraste de las imágenes. El primer uso notificado de un agente de contraste para ecografía fue realizado por el Dr. Raymond Gramiak y Pravin Shah en 1968, cuando inyectaron solución salina en la raíz aórtica del corazón y observaron un aumento del contraste. ^[11] Plantearon la hipótesis de que el aumento del contraste era el resultado de "miniburbujas producidas por la rápida velocidad de inyección o posiblemente incluidas en el medio de contraste". Aunque la mayoría de los agentes de contraste para ecografía adoptan la forma de microburbujas , existen otros tipos, como las nanopartículas de perfluorocarbono o los liposomas ecogénicos. ^[12]

Los agentes de contraste de microburbujas generalmente tienen tres componentes principales: ^[13]

1. Gas interno: El gas dentro de la microburbuja es generalmente aire o un perfluorocarbono.
2. Capa lipídica: Esta capa sirve para encerrar el gas en su interior y siempre está formada por lípidos debido a su propiedad hidrofóbica.
3. Ligandos: en el caso de las microburbujas dirigidas activamente, los ligandos se adhieren a la superficie exterior de la capa lipídica. Estos ligandos son específicos de los receptores de membrana del cuerpo y se pueden utilizar para actuar sobre determinados procesos fisiológicos (como la inflamación) u órganos. En el caso de las microburbujas dirigidas pasivamente, no hay ligandos adheridos a la capa exterior y, en su lugar, las microburbujas dependen de factores como la carga superficial para adherirse al endotelio . ^[12]

Las microburbujas funcionan como agentes de contraste en la ecografía por dos razones principales: la gran diferencia de impedancia acústica entre los tejidos corporales y las microburbujas y su cualidad de tener una frecuencia de resonancia generalmente inferior a 10 MHz. Debido a la mayor disparidad en las impedancias acústicas, las microburbujas son reflectores casi perfectos de las ondas de ultrasonido en el cuerpo. Esto les permite ser fuentes puntuales de ondas acústicas. Además, a su frecuencia de resonancia, las microburbujas tienen una respuesta de frecuencia de banda ancha de magnitud relativamente grande, que es captada por el transductor de ultrasonido.

En la ecografía clásica con contraste, existen muchos métodos para separar la señal reflejada por las microburbujas y la señal reflejada por los tejidos corporales circundantes. La mayoría de estos métodos utilizan la respuesta subarmónica y superarmónica de las microburbujas, así como la respuesta no lineal de las microburbujas a las ondas ultrasónicas, en contraposición a la respuesta lineal de los tejidos corporales a las ondas ultrasónicas. A continuación se enumeran algunos de los métodos de filtrado más comunes.

• Filtrado subarmónico: funciona filtrando todas las señales excepto las subarmónicas. Como el tejido generalmente no tiene una respuesta subarmónica, solo permanece la señal de microburbujas. Sin embargo, como este método filtra las señales de baja frecuencia, la resolución se degrada ligeramente, ya que la resolución espacial en la ecografía depende de la frecuencia acústica.
• Filtrado superarmónico: similar al filtrado subarmónico, funciona filtrando todas las frecuencias excepto las superarmónicas, que son emitidas principalmente por las microburbujas y no por el tejido circundante. A diferencia del filtrado subarmónico, la resolución mejora, ya que solo se recibe la respuesta de alta frecuencia. Sin embargo, la mayoría de los transductores clínicos no tienen el ancho de banda necesario para poder lograr esto. ^[12]

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  Inversión de fase: este método de filtrado utiliza la respuesta no lineal característica de las microburbujas a las ondas de ultrasonido. En este caso, la respuesta no lineal significa que la fase y la magnitud de la onda acústica reflejada por la microburbuja no tienen una relación lineal con la fase y la magnitud de la onda acústica excitatoria. En este método, el transductor emite dos pulsos con fases opuestas. La respuesta lineal del tejido provocará principalmente una interferencia destructiva de las ondas de fase opuesta, mientras que la respuesta no lineal de las microburbujas permitirá que pase cierta señal.

Con la creación de un transductor de doble elemento , estos métodos de filtrado ya no son críticos. Esto es lo que distingue a la angiografía acústica de la ecografía con contraste más genérica. Un elemento centrado en una frecuencia baja sirve para excitar las microburbujas a su frecuencia de resonancia, mientras que un elemento centrado en una frecuencia alta recibe la respuesta superarmónica de las microburbujas. ^[14] Dado que el tejido se excita con la entrada de baja frecuencia y no produce una respuesta de alta frecuencia, la única respuesta que recibe el transductor de doble elemento es la que se origina en las microburbujas. Por lo tanto, se necesita poco o ningún procesamiento de señal para eliminar la señal del tejido de los datos adquiridos.

Debido a que el elemento interno es solo de recepción mientras que el elemento externo es solo de transmisión, se pueden elegir materiales especiales para optimizar la eficiencia y la sensibilidad de este proceso. El zirconato titanato de plomo (PZT) funciona bien como una buena opción de material para el elemento de transmisión porque tiene una constante de transmisión alta (d = 300 x 10^-12 m/V), mientras que el fluoruro de polivinilideno (PVDF) funciona bien como material para el elemento de recepción porque tiene una constante de recepción alta (g = 14 x 10^-2 Vm/N). En general, el PVDF no es una buena opción para un transductor de ultrasonido porque tiene una constante de transmisión relativamente pobre; sin embargo, dado que la angiografía acústica separa los elementos de transmisión y recepción, esto ya no es un problema.

Como la angiografía acústica utiliza un transductor ultrasónico de dos elementos en el formato de una sonda de ultrasonidos enfocada, no es posible formar una matriz de transductores como se puede hacer en otras formas de obtención de imágenes por ultrasonidos . Por lo tanto, las imágenes de angiografía acústica se forman combinando múltiples imágenes en modo a ^[15] donde cada modo a es una imagen unidimensional que identifica los límites acústicos a lo largo de un vector que se origina en el transductor.

Para formar imágenes bidimensionales o tridimensionales, la posición y el ángulo del transductor y la imagen en modo a resultante deben manipularse mecánicamente. Dos configuraciones comunes que se utilizan para adquirir estas imágenes en modo a son la configuración de oscilación y la configuración de barrido mecánico.

En la configuración de oscilación, la sonda se gira hacia atrás y hacia adelante sobre un eje central en un plano de modo que los escaneos A están orientados radialmente y el campo de visión , o región que se puede visualizar, es un cono. Esto permite una adquisición muy rápida de escaneos A, pero tiene una resolución no homogénea ya que la distancia entre cada punto en los escaneos A vecinos aumenta con la profundidad.

En la configuración de barrido lineal, la sonda de ultrasonido se mueve mecánicamente, ya sea mediante un mecanismo externo o con la mano, en una dirección ortogonal a la dirección del a-scan. Esta configuración permite una resolución relativamente constante en función de la profundidad, ya que cada punto en los a-scans vecinos es equidistante .

Una vez recopilados los datos como se describe anteriormente, se pueden procesar para formar una variedad de tipos de imágenes, incluidas proyecciones y reconstrucción volumétrica.

Las imágenes de proyección en ultrasonido son similares en concepto a la radiografía de proyección . Sin embargo, en lugar de proyectar el grado de absorbancia de los fotones de rayos X a lo largo de una trayectoria determinada, las imágenes de proyección en ultrasonido generalmente proyectan la discordancia entre la impedancia acústica y la ubicación a lo largo de un límite determinado en el tejido.

La proyección de máxima amplitud o de máxima intensidad es una técnica de procesamiento de imágenes que se utiliza para proyectar datos tridimensionales sobre una imagen bidimensional. Se trata de una herramienta valiosa, ya que permite transformar los datos complejos en imágenes más fáciles de entender que incluyen la percepción de profundidad.

En muchas formas de obtención de imágenes por ultrasonidos y de obtención de imágenes fotoacústicas , la amplitud máxima de la señal a lo largo de un a-scan determinado se utiliza como valor para un píxel asociado a ese a-scan. Como las ondas acústicas experimentan una atenuación acústica dependiente de la distancia , la amplitud de una señal dada a lo largo de un a-scan determinado también codifica la distancia al objeto que generó esa señal.

Esta sencilla técnica de reconstrucción de imágenes permite obtener imágenes de proyección fácilmente interpretables y formadas a partir de señales acústicas.

Las representaciones volumétricas convierten los datos volumétricos en imágenes de proyección. La mayoría de los métodos utilizan datos adquiridos en dimensiones inferiores para generar vóxeles , píxeles volumétricos, que pueden formar imágenes 3D cuando se combinan. ^[16]

Las técnicas de reconstrucción de volumen se utilizan para convertir múltiples imágenes 1D o 2D en volúmenes 3D. Las técnicas de reconstrucción de volumen más comunes incluyen píxeles vecinos más cercanos, vóxeles vecinos más cercanos, vóxeles ponderados por distancia y métodos basados ​​en funciones que se utilizan para inferir estadísticamente el valor de un vóxel determinado. ^[17]

Como la angiografía acústica se encuentra actualmente en desarrollo, esta rama específica de la ecografía con contraste no se utiliza actualmente en el ámbito clínico. La mayor parte de los trabajos previos que utilizan la angiografía acústica han estudiado la angiogénesis en modelos animales con fines de investigación.

Aunque la FDA solo ha aprobado el uso de la ecografía con contraste en una aplicación clínica en los Estados Unidos, ^[1] la ecocardiografía , la técnica más amplia se ha utilizado en toda Europa y Asia con gran éxito en una variedad de aplicaciones clínicas. Para obtener más información, consulte las aplicaciones actuales de la ecografía con contraste . ^[18]

El único uso de la angiografía acústica que se ha investigado en entornos clínicos hasta la fecha estudió la angiogénesis en la vasculatura periférica del tejido mamario humano. ^[12] Este estudio investigó si la angiografía acústica podría usarse para reducir la necesidad de biopsia del tejido mamario al diagnosticar si las lesiones en el tejido mamario eran cancerosas o no.

Mediante angiografía acústica, los autores recopilaron y reconstruyeron los volúmenes 3D asociados con la vasculatura que rodea las lesiones en la mama. Estos volúmenes reconstruidos se analizaron luego para determinar la densidad vascular y la tortuosidad . Esta información es útil para el diagnóstico, ya que se ha demostrado que cuando estos dos factores aumentan en la vasculatura que rodea una lesión, existe un mayor riesgo de que la lesión sea cancerosa. ^[12]