Diseño y Caracterización de un Dispositivo Portátil para Ultrasonido Focalizado de Alta Intensidad Raquel Martínez Valdez Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional Grado académico obtenido: Maestría Grado académico en curso: Doctorado Introducción El ultrasonido se define como ondas acústicas que se propagan en medios elásticos (sólido, líquido o gaseoso) cuya frecuencia supera las frecuencias auditivas del oído humano: mayor a 20 kHz. El ultrasonido es un tipo de radiación no-ionizante el cual es ampliamente utilizado en imaginología y fisioterapia. La relación entre la frecuencia de operación del transductor y la profundidad de penetración del ultrasonido es estrecha, es decir, a mayor frecuencia menor profundidad, y viceversa. Por esta razón, el intervalo de frecuencias de operación de los transductores empleados en la clínica se encuentra entre 1 MHz y 10 MHz. Dichos ultrasonidos se clasifican como: baja intensidad (menor a 0.1 W/cm2) y mediana intensidad (de 0.1 W/cm2 a 20 W/cm2). Sin embargo, a partir de 1940 se propuso una nueva aplicación del ultrasonido por medio de la focalización del haz con el fin de concentrar la energía en un volumen pequeño dentro del un cuerpo (ver Fig. 1). La focalización del haz se logra a partir de transductores esféricos cóncavos, transductores rectangulares cóncavos, lentes acústicas o arreglos de transductores controlados en fase. La concentración de energía produce un aumento local de temperatura mayor a 56ºC debido a la alta intensidad acústica presente en el foco: desde 20 W/cm2 hasta 10, 000 W/cm2 o más. Esta elevación de temperatura en la zona focal produce daño irreversible en las células provocando la muerte de las mismas en pocos segundos. Por lo tanto, el ultrasonido focalizado de alta intensidad mejor conocido como HIFU (High-intensity Focused Ultrasound) se emplea como una técnica no-invasiva de ablación térmica para el tratamiento contra el cáncer. El objetivo de este trabajo es el estudio de los efectos inducidos por HIFU en simuladores de tejido biológico (phantoms) y en pruebas ex-vivo. Por lo tanto, se ha diseñado un equipo portátil para excitar transductores focalizados cuyas frecuencias de operación se encuentren en el intervalo de 1 MHz a 10 MHz, se han llevado a cabo experimentos de ablación térmica en phantoms, y se han obtenido mediciones del incremento de temperatura en la zona focal con termopares embebidos en phantoms. Asimismo, se han simulado tanto la distribución de campo acústico de un transductor focalizado como el incremento de temperatura en el foco por medio del método del elemento finito (FEM). Fig. 1. Aplicación de HIFU. Metodología El sistema de excitación portátil propuesto está conformado por un oscilador sinusoidal, un amplificador de radiofrecuencia (RF), y un medidor de potencia. El oscilador, cuyo desempeño es crucial, fue diseñado cuidadosamente para que cumpliera con estabilidad en amplitud de la onda de salida, alta estabilidad en frecuencia, y baja distorsión armónica. El amplificador de RF presenta una respuesta semi-plana en el paso de banda de interés. El medidor de potencia indica el acoplamiento eléctrico entre el amplificador de RF y el transductor HIFU. Paralelamente, se requiere conocer el patrón de radiación del transductor cóncavo. Para esto, se fijó el transductor HIFU dentro de un extremo de un tanque lleno con agua desgasificada. Posteriormente, se realizó un escaneo espacial por medio de un hidrófono de banda ancha controlado por un sistema de posicionamiento 3D (ver Fig. 2). Para el caso de los transductores de alta intensidad, esta técnica se realiza a baja potencia porque la intensidad alcanzada en la zona focal es tan alta que puede dañar el hidrófono. La medición de temperatura en la zona focal es importante ya que en las aplicaciones clínicas se requiere elevar la temperatura del tejido por encima de 56ºC durante pocos segundos. Para esto, se fabricaron phantoms a base de agarosa y poliacrilamida con velocidad de propagación acústica similar a los tejidos blandos ≈ 1480 m/s. Posteriormente, se excitó al transductor HIFU con una señal de baja potencia, y con ayuda de un termopar o una hoja de cristal líquido se localizó la zona de mayor calentamiento (ver Fig. 2). Después, el termopar se fijó perpendicularmente a la dirección de propagación del haz en el punto de mayor intensidad. Finalmente, se insertó el phantom en el termopar y se realizaron los experimentos. Termopar Transductor HIFU Transductor HIFU Hidrófono Foco Hoja de cristal líquido Fig. 2. Caracterización acústica del transductor HIFU (izquierda), localización del foco con hojas de cristal líquido (derecha). El modelado por medio del método del elemento finito (FEM) permite simular fenómenos físicos y su interacción con el medio dependiendo de las condiciones iniciales indicadas. En nuestro caso, nos interesa modelar la distribución del campo acústico en phantoms, así como el calentamiento inducido en los mismos. Resultados La caracterización del oscilador se realizó sintonizando a cierta frecuencia la señal de salida, por ejemplo a 1.965 MHz. Posteriormente, se registraron los datos de amplitud y frecuencia durante 30 min y 60 min, respectivamente. La desviación estándar resultante en amplitud fue de 12.40 mVpp, mientras que en frecuencia fue de 0.0 Hz. Asimismo, se midió y se calculó la influencia de los armónicos de la frecuencia fundamental presentes en la señal generada. Esta influencia es mejor conocida como distorsión total armónica, siendo de -45.72 dB a la frecuencia antes mencionada. 110 Termopar 100 90 Temperatura [°C] Transductor HIFU 80 70 60 50 Datos medidos Datos simulados Lesión Phantom 40 0 50 100 150 200 Tiempo [s] Fig. 3. Experimentación en phantom de poliacrilamida (izquierda). Curva de calentamiento en el foco (medida “+”, simulada “-”). En la parte de simulación, se han hecho análisis estacionarios de la propagación del ultrasonido en un medio sin pérdidas (agua) así como en phantoms. Para el modelado del calentamiento inducido por HIFU se han realizado análisis transitorios utilizando la solución obtenida del campo acústico (ver Fig. 3). A partir de la curvas de calentamiento obtenidas experimentalmente y los datos de obtenidos a partir de la caracterización acústica se han hecho estimaciones de la presión acústica generada por el transductor focalizado. Presión acústica normalizada Presión acústica normalizada 1 35 1 0.9 35 0.8 0.8 30 30 0.6 15 0.5 0.4 0.7 Eje de propagación [mm] Eje de propagación [mm] 0.7 25 20 25 20 0.5 0.4 0.3 10 0.2 -10 0 10 Distancia radial del transductor [mm] 0.6 15 0.3 10 5 0.9 0.1 0 0.2 5 -10 0 10 Distancia radial del transductor [mm] 0.1 0 Fig. 4. Patrón de radiación acústica del transductor HIFU. Mediciones a baja potencia por medio de un hidrófono (izquierda) y modelado por el método del elemento finito (derecha). Conclusiones Hasta el momento se ha desarrollado un sistema portátil de ultrasonido focalizado de alta intensidad. Este dispositivo cuenta con alta estabilidad en frecuencia y en amplitud, así como baja distorsión armónica. Se han inducido lesiones térmicas en phantoms tanto de agarosa como de poliacrilamida. Se ha medido el incremento de temperatura dentro del phantom debida a la exposición a HIFU. Se han realizado simulaciones de la distribución del campo acústico, y de la elevación de temperatura en el foco. Como trabajo futuro se inducirán lesiones térmicas en diferentes tipos de tejido biológico ex–vivo, se realizarán mediciones del tamaño de las lesiones, se modelarán por FEM los cambios en localización y tamaño del foco para cada tejido biológico utilizado. Agradecimientos El grupo de trabajo agradece el financiamiento del proyecto CONACYT número 68799, proyecto M10-S02 del programa ECOS-ANUIES-CONACYT y del proyecto PICCO10-78 del ICyTDF.