Open-UST: Un Nuevo Enfoque para la Imágenes por Ultrasonido

El cáncer de mama es un problema de salud serio, y detectarlo a tiempo puede salvar vidas. Las mamografías tradicionales pueden pasar por alto algunos cánceres, especialmente en mujeres con tejido mamario denso. Esto puede llevar a tratamientos innecesarios para personas sanas. Un nuevo método llamado Tomografía por Ultrasonido (UST) ayuda a medir las propiedades 3D del tejido mamario enviando ondas de ultrasonido desde diferentes ángulos y capturando los resultados. Aunque el UST muestra promesa, aún hay que mejorar la rapidez con la que se pueden hacer las imágenes.

Actualmente, las máquinas de UST no están comúnmente disponibles y las personalizadas son costosas. Esto dificulta que los investigadores prueben nuevas formas de hacer mediciones. Haciendo que el equipo de UST sea más accesible y adaptable, se puede ayudar a acelerar el desarrollo de técnicas de imagen más rápidas y precisas.

#¿Qué es open-UST?

open-UST es un nuevo sistema de código abierto para crear dispositivos de imagen por ultrasonido. Está diseñado para ser asequible y fácil de armar, para que más gente pueda trabajar con UST. El sistema incluye un anillo especial de 256 sensores que recopilan datos enviando y recibiendo ondas de ultrasonido. Todo se puede hacer en casa por alrededor de £2000, usando tecnologías de fabricación rápida.

Esta invención es significativa porque permite a los investigadores crear y probar nuevas configuraciones de ultrasonido sin necesidad de equipos comerciales caros. Incluye todos los diseños, instrucciones y materiales necesarios para construir el sistema.

#La necesidad de imágenes más rápidas

En la atención médica, especialmente en los exámenes de cáncer de mama, el tiempo es crucial. Métodos de imagen más rápidos podrían llevar a una mejor detección temprana del cáncer de mama. Mientras que el UST ha mostrado buenos resultados, obtener imágenes utilizables rápidamente ha sido un desafío. Tener sistemas de UST desarrollados localmente podría ayudar a los investigadores a probar nuevos métodos de imagen sin los altos costos asociados con las tecnologías actuales.

#Fabricación con impresión 3D

Una de las principales características de open-UST es que utiliza tecnologías de prototipado rápido como la impresión 3D. Esto hace posible fabricar hardware de ultrasonido sin necesidad de costosas máquinas especializadas. Este enfoque es rentable, permite cambios y se puede hacer rápido, pero los usuarios aún necesitan diseñar los componentes. Ahí es donde hacer los diseños de código abierto ayuda. Significa que los investigadores pueden colaborar y compartir ideas, reduciendo el tiempo inicial de diseño y facilitando a quienes no tienen experiencia en la construcción de Transductores.

#Contribuciones abiertas existentes

La idea de equipos de ultrasonido de código abierto no es totalmente nueva. Ya hay diseños disponibles para varios componentes, como una cámara de caracterización de microburbujas y un sistema de levitación acústica. Estos vienen con guías y archivos que ayudan a los usuarios a acceder y construir los proyectos. Sin embargo, hasta ahora no ha habido una guía completa de código abierto para fabricar un arreglo de transductores.

#Visión general del diseño de open-UST

open-UST consiste en un arreglo de anillo de transductores de 256 elementos optimizado para una fácil fabricación en casa. Se proporcionan todos los archivos necesarios, incluidos modelos CAD, diseños de placas de circuito y archivos de impresión 3D, junto con una guía de ensamblaje detallada. El público objetivo incluye investigadores de UST que son hábiles en técnicas de ensamblaje manual, como soldadura y moldeo de materiales.

Los objetivos de open-UST son simples:

1. Facilitar la fabricación para los usuarios.
2. Asegurar que el diseño funcione bien para la investigación de UST.
3. Mantener las variaciones en el rendimiento entre los elementos del transductor al mínimo.

Para hacer que el sistema sea accesible, es esencial que los materiales se mantengan de bajo costo y que solo se incluyan las características necesarias, acelerando el proceso de ensamblaje. Se asume que los usuarios no tienen equipos especializados para hacer transductores; en su lugar, solo necesitan una cámara de vacío, una impresora 3D adecuada y herramientas básicas.

#Detalles de rendimiento y diseño

Los anillos de transductores están diseñados para funcionar mejor a frecuencias superiores a 350 kHz, permitiendo la compatibilidad con métodos avanzados de reconstrucción de imágenes. El tamaño y la forma de cada transductor influyen en cómo interactúan con las ondas de ultrasonido. Al modelar la respuesta durante la reconstrucción de imágenes, los investigadores pueden mejorar significativamente la calidad de la imagen.

La consistencia de cómo se comporta cada elemento en el arreglo de transductores es crucial. Si los sensores individuales tienen respuestas diferentes, hace que interpretar los datos sea más complicado. Por lo tanto, lograr un bajo nivel de variación entre los diferentes elementos es una prioridad.

#Creando el arreglo

El arreglo open-UST está diseñado para ser utilizado en escenarios clínicos comunes y permite la experimentación. Muchos sistemas UST existentes tienen entre 40 y más de 2000 sensores. Si bien los números más altos proporcionan mejor calidad de imagen, también aumentan la complejidad y el costo de fabricación. El sistema open-UST, con 256 sensores, encuentra un equilibrio al ser manejable tanto en términos de fabricación como de recopilación de datos.

El diseño utiliza configuraciones de anillo 2D donde los datos de ultrasonido se pueden recopilar de manera efectiva sin la mecánica intrincada involucrada en algunas otras configuraciones. Cada módulo en el arreglo es un arreglo lineal, y juntos forman una forma cercana a un anillo.

#Elección de materiales

Para los sensores, se utilizan placas PZT individuales. Estas están fácilmente disponibles y ofrecen buenas capacidades de detección. Se eligió PZT 850 como material piezoeléctrico porque funciona bien en aplicaciones de detección. Las dimensiones de estas placas afectan la frecuencia a la que pueden operar y el tamaño y la calidad de los haces de ultrasonido resultantes.

Se eligió un ancho de 1 mm para las placas, ya que proporciona un rendimiento aceptable para la imagenología por ultrasonido y es fácil de fabricar. Además, se usa un grosor de 1 mm porque es común y efectivo para aplicaciones de UST, asegurando que las frecuencias de ultrasonido resultantes estén dentro del rango deseado.

#Pilas acústicas y capas de respaldo

La pila acústica consiste en una placa PZT con una capa de respaldo para mejorar el rendimiento. Esta capa ayuda a reducir el ruido y mejorar la respuesta, haciendo que los datos sean más limpios. La capa de respaldo está hecha de una mezcla compuesta de polvos de relleno y polímeros, elegida por sus propiedades acústicas. El grosor de esta capa afecta cómo se transmiten y reciben las ondas de ultrasonido.

También se incluye una capa de adaptación especial, diseñada para optimizar la señal transmitida desde el PZT al agua. Esta capa se puede ajustar para mejorar ciertas frecuencias, proporcionando mejor claridad en las imágenes resultantes.

#Costo y tiempo de fabricación

Producir todo el sistema cuesta alrededor de £2000, lo cual es relativamente bajo para este tipo de tecnología. Mientras que una impresora 3D y una cámara de vacío podrían conseguirse por alrededor de £5000, el costo de construcción es mínimo en comparación con lo que requerirían los sistemas comerciales.

La manufactura toma aproximadamente cuatro meses, con una persona trabajando a tiempo completo. La mayoría de los componentes se fabricaron en lotes, permitiendo procesos paralelos que minimizan el tiempo total requerido.

#Rendimiento óptico y acústico

Una vez construido, los anillos de transductores se someten a pruebas para medir su rendimiento acústico y comparar cuán consistentes son los elementos individuales. Se toman medidas sin ajustes adicionales y se analizan cuidadosamente.

La respuesta al impulso de los transductores muestra cómo reaccionan cuando se envía una señal a través de ellos. Es importante que los investigadores tengan una idea clara de cómo se comporta cada elemento, ya que las variaciones pueden afectar la calidad de la imagen. Cada elemento del arreglo muestra un rendimiento similar, lo que indica que las técnicas de fabricación utilizadas fueron efectivas.

Las pruebas de escaneo de luz también ayudan a visualizar la salida de cada elemento. Estas pruebas aseguran que las ondas de ultrasonido emitidas por los sensores estén correctamente dirigidas y enfocadas. El objetivo es mantener la forma del haz consistente en todos los elementos, lo que a su vez conduce a una mejor calidad de imagen.

#Imágenes con open-UST

Para demostrar las capacidades de open-UST, se realizó un experimento con un fantasma. Esto implicó crear un modelo artificial de tejido mamario para probar el sistema. El objetivo era ver si el UST podía identificar con precisión diferentes tipos de tejido dentro del modelo.

Las imágenes reconstruidas mostraron que el sistema podía diferenciar eficazmente entre varias propiedades del tejido. Algunas inclusiones más pequeñas no se capturaron tan bien, probablemente debido a limitaciones en el modelo de imagen utilizado. Sin embargo, los resultados fueron prometedores, indicando que open-UST tiene un gran potencial para aplicaciones en el mundo real.

#Resumen y direcciones futuras

El sistema open-UST representa un avance significativo en hacer que la tomografía por ultrasonido sea más accesible. Ofrece una solución de bajo costo para crear dispositivos de imagen por ultrasonido que se pueden adaptar a necesidades de investigación específicas. El aspecto de código abierto fomenta la colaboración y la innovación al permitir que cualquier persona interesada contribuya y modifique los diseños.

Si bien los procesos de fabricación y ensamblaje ya son eficientes, aún hay margen de mejora. El trabajo futuro podría centrarse en simplificar aún más el ensamblaje, optimizando el diseño para aplicaciones más específicas, o incluso desarrollando una base de datos para materiales Acústicos que agilice el proceso de construcción de transductores personalizados.

En general, open-UST tiene el potencial de beneficiar tanto a investigadores como a clínicos, mejorando las tasas de detección del cáncer de mama y, en última instancia, los resultados para los pacientes.