Raquel Martínez Valdez

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.