Ultrasonido Focalizado de Alta Intensidad en Medicina

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El Ultrasonido Focalizado de Alta Intensidad ( HIFU ) [1] es un método ampliamente utilizado en la  medicina  moderna de impacto local del ultrasonido en los tejidos profundos del cuerpo. El principal campo de aplicación del HIFU en medicina es la cirugía no invasiva (es decir, sin dañar la piel) o mínimamente invasiva , implementada mediante haces de ultrasonidos focalizados con una intensidad que alcanza, en algunos casos, miles y decenas de miles de W/cm 2 .

Las aplicaciones más famosas de HIFU en medicina son: tratamiento quirúrgico de tumores malignos en oncología , cirugía de fibromas uterinos , destrucción de tumores de próstata , efectos en tejidos ubicados detrás del tórax o en tejidos intracerebrales sin abrir el cráneo, tratamiento de fibrilación auricular , glaucoma , control de hemorragias, litotricia por ondas de choque , uso en cirugía plástica y cosmetología , estimulación de estructuras nerviosas receptoras , neuromodulación de estructuras cerebrales , etc. [1]

Historia

Primeros intentos

Aunque los primeros intentos de utilizar HIFU en medicina se realizaron en los EE .  Freír , Estados Unidos [2] . En la década de 1950, se fabricó en su laboratorio un dispositivo para el uso de ultrasonido focalizado en neurocirugía experimental, es decir, para crear lesiones locales de un tamaño determinado en las estructuras profundas del cerebro de los animales. Posteriormente, estos estudios se desarrollaron ampliamente en varios países [3] .

Comienzo de la investigación en la URSS

En la URSS, la investigación rutinaria de las aplicaciones médicas del ultrasonido enfocado comenzó a principios de la década de 1970 en el Instituto Acústico de la Academia de Ciencias de la URSS (AKIN) .

Para llevar a cabo estos estudios, en ese momento se contaba con una base científica seria basada en los trabajos clásicos del jefe del departamento de ultrasonido de la ACIN, el profesor L. D. Rozenberg (1908-1968) en el campo de la teoría de la sistemas de sonido y ultrasonido de enfoque [4] [5] diseño de emisores ultrasónicos de servicio pesado creados en Akin en las décadas de 1950 y 1960 [6] . Entre las instituciones médicas y fisiológicas que contribuyeron en la década de 1970-1980. en la Unión Soviética, la mayor contribución a estos estudios, cabe señalar el Instituto I. M. Sechenov de Fisiología Evolutiva y Bioquímica de la Academia de Ciencias de la URSS , el Instituto del Cerebro de la Academia de Ciencias Médicas de la URSS , el Instituto I. P. Pavlov de Fisiología de la Academia de Ciencias de la URSS, el Instituto de Investigación de Oído, Garganta y Nariz de Leningrado del Ministerio de Salud RSFSR, Centro de Investigación del Cáncer de toda la Unión de la Academia de Ciencias Médicas de la URSS . Los resultados de la investigación conjunta realizada con estas y otras instituciones médicas y fisiológicas se presentan en varias reseñas y libros [7] [1] [8] . Desde mediados de los 90. la investigación más activa en esta área en Rusia se lleva a cabo en el Departamento de Acústica de la Facultad de Física de la Universidad Estatal de Moscú que lleva el nombre de MV Lomonosov [1] .

Principales centros de investigación

En las últimas décadas , los empleados de varias instituciones extranjeras han jugado un papel importante en el desarrollo de aplicaciones médicas de HIFU [1] :

Estado actual de la investigación

Como resultado, en un tiempo relativamente corto, esta área de la acústica médica ha pasado de los primeros experimentos realizados en diferentes países por científicos entusiastas a convertirse en una de las tecnologías más efectivas y ampliamente conocidas en la medicina clínica. El número de especialistas que se ocupan de este tema se ha incrementado dramáticamente, y el número de laboratorios especializados en muchos países es de decenas. Anualmente se realizan congresos y simposios que reúnen a cientos de participantes, con discusión de los nuevos resultados obtenidos en esta área. Cada año se publican cientos de artículos dedicados a esta área de la acústica médica, los materiales resultantes se acumulan y actualizan muy rápidamente. Si en el período de 1975 a 1990 se publicaron de 6 a 30 artículos por año sobre ultrasonido focalizado en medicina, entonces en 2010-2012. ya era 600-700 [9] .Durante el mismo tiempo, el porcentaje de trabajos sobre ultrasonido enfocado a todos los trabajos en medicina aumentó en un factor de 7. En 2001, se creó la Sociedad Internacional de Ultrasonido Terapéutico (ISTU )  , que reunió a físicos, biólogos, médicos e ingenieros involucrados activamente en HIFU [9] . Las sesiones anuales de la sociedad se llevan a cabo alternativamente en diferentes países. En 2006, se estableció la Fundación de Cirugía de Ultrasonido Enfocado . Su objetivo es apoyar nuevas ideas y nuevas aplicaciones de ultrasonido enfocado, reducir el tiempo desde la aparición de nuevas tecnologías HIFU hasta su implementación práctica y acelerar el uso de tecnologías HIFU en todo el mundo [9] .  

Mecanismos de acción

Como primera aproximación

El mecanismo principal en el uso de HIFU en medicina es térmico. Es causada por la absorción de energía ultrasónica en los tejidos del cuerpo y su transformación en calor. Cuando las ondas ultrasónicas planas se propagan en un medio, la intensidad del ultrasonido disminuye con la distancia de la siguiente manera:

donde es la intensidad inicial del ultrasonido,  es el coeficiente de atenuación del ultrasonido en el medio, es la distancia desde la fuente.

El coeficiente de atenuación (así como el coeficiente de absorción ) se expresa en nepers (Np) o en decibelios (dB) por unidad de longitud (m o cm), siendo 1 Np/cm = 8,686 dB/cm [7] . (En la literatura de las décadas de 1960 y 1980, a menudo se usaba la unidad "cm- 1 " en lugar de "Np/cm".) El coeficiente de atenuación es la suma de los coeficientes de absorción α o y los coeficientes de dispersión α s . Este último incluye refracción y reflexión de ultrasonidos en el medio.

Si la onda plana se absorbe completamente en el medio y las reflexiones internas son insignificantes, entonces el incremento de temperatura ΔT después del tiempo t será [10] :

donde  es el coeficiente de absorción de ultrasonido de una frecuencia particular en el tejido;  es la intensidad del ultrasonido en la superficie del tejido;  - densidad del tejido ; es la capacidad calorífica específica del tejido a presión constante.

Dados los valores para tejido blando = 1 g/ml, = 4,18 J/(g·K), y = 0,1 Np/cm (a una frecuencia de 1 MHz), obtenemos:

donde se expresa en W/cm 2 .

De las proporciones anteriores puede verse que para aumentar la temperatura de los tejidos, es necesario aumentar la intensidad de los ultrasonidos y la duración de la exposición. Cuando se utilizan intensidades altas de ultrasonido (miles y decenas de miles de W/cm 2 ), la temperatura en los tejidos puede alcanzar el punto de ebullición .

Efectos no lineales

El proceso de calentamiento de los tejidos se intensifica considerablemente si, cuando se exponen a los tejidos, se producen efectos no lineales que se producen en haces ultrasónicos súper potentes y altamente enfocados . En los dispositivos más potentes utilizados en cirugía ultrasónica, el nivel de intensidad en la región focal alcanza los 25 kW/cm2 y más, lo que conduce a la generación de armónicos más altos en el espectro de la onda que se propaga, distorsión asimétrica del perfil de onda , la formación de frentes de choque y absorción adicional de la energía de las olas en las discontinuidades . La amplitud de ruptura puede alcanzar 60−80 MPa [11] [12] . En este caso, es posible el calentamiento local ultrarrápido, en unos pocos milisegundos, del tejido a temperaturas superiores a 100°C y la aparición de ebullición. La eficiencia de absorción en las roturas puede ser diez veces mayor que la absorción lineal en el tejido. Los efectos del calentamiento ultrarrápido a temperaturas de ebullición en el tejido asociado con la formación de brechas son extremadamente importantes cuando se usa ultrasonido enfocado de intensidad ultra alta, ya que la formación de burbujas de vapor durante la ebullición en el tejido cambia radicalmente el proceso de exposición ultrasónica al tejido.

Cavitación ultrasónica

Recientemente, cuando se usa HIFU , el modo de exposición de cavitación se ha utilizado cada vez más. En general, se acepta que tal régimen debe evitarse debido a las peculiaridades de la naturaleza física de la cavitación (la naturaleza probabilística de la ocurrencia, poca reproducibilidad de la localización y forma del daño resultante, etc.). En contraposición a este juicio, han surgido nuevos métodos y áreas de aplicación de los ultrasonidos en medicina, no tradicionales, basados ​​precisamente en el uso de la cavitación ultrasónica. Uno de estos métodos es la " histotricia ", llamada así por la litotricia [13] . La esencia del enfoque radica en el hecho de que es necesario crear microburbujas en los tejidos, ya sea en forma de burbujas: agentes de contraste de eco introducidos en el cuerpo o burbujas que han surgido durante la exposición anterior. Estas microburbujas proporcionan umbrales de cavitación reproducibles, reducen significativamente los umbrales de fractura y contribuyen a la creación de centros de fractura más regulares. El uso del modo pulsado permite cambiar los parámetros de exposición dentro de un amplio rango y así lograr el efecto terapéutico óptimo. En comparación con otro mecanismo bien conocido de terapia de ultrasonido, la térmica, la histotricia tiene una serie de ventajas [1] :

La clave para comprender la esencia del proceso de histotricia es comprender que el pulso de ultrasonido inicial hace solo una pequeña contribución al efecto terapéutico esperado, pero predispone a un volumen dado de tejido a interactuar efectivamente con el pulso subsiguiente. Una característica de la destrucción en tejidos blandos obtenida usando este método es que, si es necesario, todas las estructuras celulares se destruyen completamente en ellos y que los límites de tal destrucción son muy claros y suaves. La gran ventaja del método descrito anteriormente es que no solo las microburbujas, sino también los tejidos triturados mecánicamente son reconocidos por imágenes de ultrasonido. Esto le permite obtener información confiable sobre el logro del efecto terapéutico deseado y, en ocasiones, en tiempo real [1] .

Ondas de corte

Junto con esto, ha surgido una dirección separada en las aplicaciones médicas de HIFU , basada en el hecho de que bajo la acción de la fuerza de radiación creada con la ayuda de un emisor de enfoque [14] [15] , es posible generar ondas de corte . en el tejido con valores relativamente altos de la amplitud de desplazamiento.

Esta propiedad se ha utilizado en diagnósticos médicos para evaluar las propiedades viscoelásticas de tejidos y fluidos biológicos. La fuerza de radiación del haz enfocado actúa como un "dedo" virtual para evaluar la elasticidad de las estructuras anatómicas internas y brindar información de diagnóstico. Se han desarrollado varias modificaciones de este enfoque y la correspondiente técnica de formación de imágenes por ultrasonido. En particular, se propuso una técnica, llamada SWEI (Shear Wave Elastisity Imaging) [16] , que en su esencia es una elastometría remota no lineal de módulos de elasticidad de corte [17] . También se han desarrollado otros métodos de visualización de la elasticidad de los tejidos: vibroacoustografía ( VA ) [18] , imágenes de impulso basadas en el uso de fuerza de radiación ( Acoustic  Radiation Force Impulse Imaging, ARFI ) [19] , así como visualización supersónica de la elasticidad de cizallamiento ( Imágenes de corte supersónico - SSI ) [20] .

Los métodos basados ​​en el uso de la fuerza de la radiación también se utilizan para estimular las estructuras nerviosas de los seres humanos y los animales [21] , la administración dirigida de fármacos , el impacto en la retina desprendida del ojo , para separar diferentes partículas en ondas estacionarias, para crear humanos-máquina interfaces que utilizan sensaciones táctiles y para una serie de otras aplicaciones.

Región focal

La región de enfoque , llamada región focal, tiene forma de elipsoide de revolución con un eje largo extendido en la dirección de propagación del ultrasonido (ver emisores de ultrasonido de enfoque de un solo elemento ). Si el diámetro del radiador de enfoque es comparable en tamaño a la distancia focal, entonces la relación entre el diámetro de la región focal y su longitud es de aproximadamente 1:5 [7] . El diámetro de la región focal de los emisores típicos para uso en medicina es comparable en orden de magnitud con la longitud de onda, es decir, son fracciones y unidades de milímetro en frecuencias en el rango de megahercios. Por tanto, la intensidad del ultrasonido en una pequeña región focal es mucho mayor (a veces en varios órdenes de magnitud) que en la superficie del emisor. Dado que la atenuación de los ultrasonidos en los tejidos blandos es relativamente pequeña (del orden de fracciones de dB/cm a una frecuencia de 1 MHz), es posible concentrar la energía ultrasónica en áreas profundas del cuerpo sin ningún efecto significativo en los tejidos a lo largo de la misma. el camino del ultrasonido a la región focal [7] . Para la medicina, esto es extremadamente importante, ya que es posible actuar localmente en un área predeterminada de tejidos sin tener ningún efecto significativo en la piel y los tejidos que rodean el foco de exposición.

Enfoques a utilizar

Las posibilidades del método

Al variar los parámetros de exposición ultrasónica ( frecuencia , intensidad , duración de la exposición, parámetros de pulso en el caso de un modo de operación pulsado), es posible causar uno u otro efecto biológico requerido en un área determinada. Con un impacto de ultrasonido muy potente, es posible elevar la temperatura en el tejido a temperaturas superiores a los 50 ° C y provocar una necrosis térmica de los tejidos, y, si es necesario, alcanzar el punto de ebullición en ellos [7] . En algunas situaciones prácticas, es aconsejable provocar la destrucción de los tejidos utilizando el modo de exposición por cavitación. Al mismo tiempo, en dosis que son notablemente más bajas que las destructivas, se pueden inducir efectos biológicos mucho más sutiles, como irritación de las estructuras nerviosas, administración dirigida de fármacos a un sitio determinado, cambios en la permeabilidad de la membrana , etc. [7] .

Emisores aplicables

Para enfocar las ondas ultrasónicas, los radiadores de enfoque de un solo elemento en forma de una parte de una capa esférica o conjuntos de antenas en fase (lineales o bidimensionales) se utilizan con mayor frecuencia , que permiten no solo mover el foco en el espacio electrónicamente, sino también , si es necesario, para crear varios focos simultáneamente [22] (ver también Conjuntos en fase ultrasónicos para cirugía ). Las rejillas pueden ser planas o cóncavas, es decir, pueden combinar el enfoque electrónico con el enfoque geométrico. Las lentes o los reflectores se usan con mucha menos frecuencia para enfocar las ondas ultrasónicas. Para moverse en el espacio de la región focal de emisores individuales, se suelen utilizar posicionadores mecánicos o dispositivos de coordenadas.

Control visual

El impacto del ultrasonido enfocado en el tejido suele ir acompañado de la visualización del área afectada: ultrasonido o resonancia magnética (MRI o MRI ) . En este último caso, la tecnología correspondiente se denomina HIFU guiada por resonancia magnética ( MRgHIFU ). Esta tecnología se utiliza en la mayoría de los países de Europa, Asia, Australia, Canadá, Israel y EE . UU. [1] .

Aplicaciones médicas

HIFU en oncología

En los últimos años, el trabajo de investigadores chinos ha ocupado un lugar especial en la investigación relacionada con el uso de transductores de enfoque único en oncología clínica [23] . Toda la experiencia adquirida en 1990-2000. en muchos laboratorios de investigación en los EE. UU. y Europa [24] , no solo fue refractado creativamente por ellos, sino que también se implementó con éxito en varias aplicaciones clínicas en un tiempo relativamente corto (menos de 10 años). Como resultado, el nivel de uso clínico en China de métodos basados ​​en el uso de HIFU en oncología ha superado significativamente al alcanzado en otros países. La Universidad de Ciencias Médicas de Chongqing, Chongqing, desempeña un papel de liderazgo en la realización de estos estudios . Diseñados y fabricados en China, los equipos basados ​​en el uso de emisores de ultrasonidos focalizados se fabrican en serie y se utilizan no solo en China, sino que también se compran en otros países (Gran Bretaña, Italia, España, Japón, Corea, Hong Kong, Rusia, etc.). .). Se han curado más de 50.000 pacientes con tumores malignos y benignos de las siguientes patologías: cáncer de hígado, huesos, mama, sarcoma de tejidos blandos, cáncer de riñón, páncreas, pelvis, órganos abdominales, mioma uterino, tumor mamario benigno, hemangioma del hígado y otros tumores [ 1] .

Cirugía de miomas uterinos

InSightec ha desarrollado y comercializa el dispositivo ultrasónico para cirugía de fibromioma ExAblate® 2000, que fue aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) en 2004 . Para el otoño de 2007, más de 3000 mujeres habían recibido tratamiento quirúrgico con este dispositivo. El dispositivo se vende en EE. UU., Israel, Europa y Asia. El principio de funcionamiento del dispositivo se basa en la destrucción de los tejidos tumorales mediante potentes ultrasonidos focalizados bajo control de resonancia magnética [25] . Durante el procedimiento, se coloca al paciente dentro de un escáner de resonancia magnética, que proporciona una imagen tridimensional del objetivo y los tejidos circundantes. Luego, la temperatura en la región focal del emisor de enfoque se aumenta a 65-85 o C, que es suficiente para destruir el tejido tumoral. La duración de cada exposición no supera los 20 s. Además, el procedimiento se repite hasta que la mayor parte del tumor alcanza una temperatura suficiente para la necrosis. Al mismo tiempo, el escáner brinda retroalimentación en tiempo real y le permite al médico controlar el progreso de la operación, que dura hasta 3 horas. El método se ha establecido como un medio eficaz para la cirugía de fibromiomas. En comparación con la histerectomía , que es el principal método de este tipo de cirugía, el método propuesto tiene una serie de ventajas clínicas y económicas. El método no es invasivo, por lo que el paciente evita los riesgos asociados a la cirugía. El dispositivo ExAblate le permite extirpar el tumor conservando el útero como órgano. Se requiere una sedación muy limitada . La paciente puede volver a sus actividades normales en un día, mientras que después de la extracción del útero se requiere un largo período postoperatorio y de recuperación [25] .

Destrucción de tumores de próstata

Para el tratamiento de tumores benignos y malignos de la próstata (próstata) se utilizan dos aparatos de ultrasonido: Sonablate [26] y Ablatherm [27] . Se proporciona una descripción detallada del procedimiento de tratamiento tanto en los artículos citados como en el sitio web de EDAP TMS, Lyon, Francia . Cuando se utilizan ambos dispositivos, el tratamiento se realiza bajo anestesia espinal en combinación con anestesia local de la próstata. Para evitar quemaduras en la mucosa de la próstata, el emisor se coloca en una carcasa transparente llena de refrigerante. El paciente se coloca boca arriba con las rodillas dobladas ( Sonablate ) o sobre el lado derecho ( Ablatherm ). El emisor se coloca en el recto y se ajusta de forma que se obtenga una buena calidad de imagen de la próstata. En Ablatherm , la sonda de imágenes se retrae en la carcasa durante la exposición a ultrasonidos potentes; en el dispositivo Sonablate , el transductor se combina y realiza ambas funciones: exposición y visualización, por lo que es posible observar el área de influencia durante el procedimiento de tratamiento. Por lo general, todo el procedimiento para la destrucción de la próstata se lleva a cabo en varios pasos, por lo que la próstata se divide en varias zonas. Las imágenes se almacenan y analizan en una computadora. Luego se seleccionan las zonas de influencia requeridas y se determinan las tácticas de la operación. Dependiendo de la prevalencia del tumor, el área de influencia puede estar limitada por el tamaño de la próstata o ir más allá. El procedimiento finaliza cuando se expresa todo el volumen especificado. A veces esto requiere 400-600 pulsos, cada uno de los cuales provoca un aumento de la temperatura en la región focal de 85 a 100 ° C. Todo el procedimiento se lleva a cabo en 1-3 horas, dependiendo del tamaño de la próstata. La investigación en esta área comenzó en la década de 1990. Para 2013, se habían realizado aproximadamente 30 000 cirugías de cáncer de próstata, principalmente con Ablatherm [28] . El uso de este aparato está autorizado en la Unión Europea, Rusia, Canadá, Australia y Corea del Sur.

Paso de HIFU a través de los huesos del tórax

Una limitación significativa para un uso práctico aún más amplio de los ultrasonidos enfocados es la presencia de obstáculos acústicos altamente reflectantes o fuertemente absorbentes en los tejidos corporales. Se entiende principalmente que significan huesos, en particular los huesos del tórax, que dificultan la realización de operaciones quirúrgicas ultrasónicas, por ejemplo, en el hígado o el corazón. En [29] , por primera vez, de forma experimental, sobre muestras de tejidos blandos in vitro , se demostró la posibilidad de destrucción de tejidos situados detrás de los huesos del tórax de un cerdo. Además, se estudiaron en detalle las características del paso del ultrasonido enfocado a través de la estructura periódica en forma de huesos del tórax, así como los mecanismos físicos de los efectos resultantes, en particular, la división de focos debido al paso de HIFU . a través de la estructura periódica de las costillas [30] .

Para eliminar las consecuencias del efecto de división de los focos, se propuso utilizar pulsos muy cortos pero potentes de ultrasonido focalizado (modo histotricia) [31] . En este caso, la intensidad en el foco principal debe superar el umbral de daño por cavitación, y en los focos secundarios debe estar por debajo de este umbral. Como alternativa a este método, se propuso [32] [33] realizar tal impacto con pulsos HIFU en modo no lineal con la formación de frentes de choque en el foco. Esto permite mejorar el efecto térmico precisamente en el foco principal, sin afectar significativamente el calor generado en los focos laterales, así como aumentar la localización del efecto de ultrasonido en un área de tejido determinada y reducir el efecto térmico en las costillas. .

Aplicación en cardiología

El ultrasonido enfocado de alta intensidad ha encontrado uso para reemplazar las incisiones auriculares en el tratamiento de la fibrilación auricular (fibrilación auricular). El mecanismo del efecto en este caso está asociado con la necrosis tisular coagulativa . El enfoque del ultrasonido determina la localidad del impacto y, como resultado, una alta seguridad para los tejidos circundantes. Se han desarrollado y producido comercialmente dispositivos especializados para el tratamiento de la fibrilación auricular basados ​​en el uso de HIFU para la destrucción del tejido cardíaco. Este es el sistema de ablación médica Epicor™ , que está aprobado por la FDA y cumple con los estándares europeos [34] .

También se ha desarrollado el diseño de un catéter en miniatura para el tratamiento de la fibrilación auricular [35] . Los elementos principales del dispositivo son un transductor piezocerámico cilíndrico a una frecuencia de 9 MHz y un reflector parabólico inflable, que en condiciones de trabajo permite enfocar una onda cilíndricamente divergente.

Exposición al tejido cerebral a través de un cráneo sin abrir

Se sabe que el cráneo es un ambiente sumamente desfavorable para el paso de ultrasonidos y la realización de operaciones neuroquirúrgicas o de neuromodulación de estructuras cerebrales. El grosor del cráneo y la atenuación del sonido en diferentes áreas son significativamente no uniformes, y la velocidad del sonido difiere mucho de la del agua y los tejidos blandos. El problema de enfocar los ultrasonidos a través del cráneo, teniendo en cuenta las posibles aberraciones y diferencias en los parámetros acústicos en diferentes zonas, ha sido estudiado por varios grupos de investigación desde mediados del siglo XX [36] [37] .

La esperanza de una solución exitosa a este problema apareció solo cuando se crearon matrices en fase de elementos múltiples con control individual de la fase y la amplitud de la señal en cada elemento de la matriz, y se desarrollaron métodos no invasivos para controlar la ubicación de la focal región y el efecto biológico logrado. Aunque la búsqueda de formas de corregir las aberraciones del haz enfocado causadas por el hueso del cráneo y lograr una calidad de enfoque aceptable todavía está en curso, ya se han logrado avances en neuropatología clínica (ver más abajo). En este caso se utilizó un sistema de enfoque hemisférico ExAblate MRgFUS (InSightec, Haifa, Israel) de baja frecuencia (250–650 kHz) y alta potencia acústica (800–1200 W) [38] .

Tratamiento del glaucoma

Desde la década de los 60 se viene trabajando en el estudio de las posibilidades del uso de ultrasonidos focalizados en oftalmología. Entre las áreas de investigación más famosas se encontraban como la maduración artificial de la catarata del cristalino, el tratamiento del desprendimiento de retina , el impacto sobre los tumores intraoculares [7] . Los mayores avances se han producido en el campo del tratamiento del glaucoma, donde ya se utilizan en la clínica los ultrasonidos focalizados.

La idea principal del método era coagular parcialmente el cuerpo ciliar (ciliar)  , una estructura anatómica responsable de la producción de líquido intraocular , utilizando HIFU [39] [40] .

En 2010 apareció el dispositivo EyeOP1®Device (EyeTechCare) , que permite simultáneamente, en un solo paso, crear necrosis por coagulación en 6 áreas del cuerpo ciliar del ojo sin mover el dispositivo durante el procedimiento. El dispositivo incluye seis transductores piezoeléctricos rectangulares dispuestos en círculo a una frecuencia de 21 MHz [41] . De acuerdo con los resultados de los ensayos clínicos, no se observaron complicaciones postoperatorias, como destrucción de estructuras intraoculares distintas del cuerpo ciliar, así como signos de inflamación.

Dejar de sangrar

La capacidad del ultrasonido enfocado para detener el sangrado (es decir, causar hemostasia ) de los vasos sanguíneos es de gran interés práctico y puede usarse para detener el sangrado interno después de lesiones, durante la transfusión de sangre, para bloquear agujeros creados por catéteres, etc. [42] . El valor potencial de tal procedimiento es extremadamente alto. Por ejemplo, los pacientes lesionados pueden ser "operados" no en un quirófano estéril, sino en una habitación normal sin riesgo de introducir una infección. Esto es extremadamente importante tanto en accidentes de tráfico como en condiciones de campo militar. El método también se puede usar para bloquear los vasos sanguíneos grandes que alimentan los tumores. Sin embargo, las dificultades para implementar este método son extremadamente altas: debe determinar exactamente dónde sangra el paciente, encontrar esta área, comprender cómo debe verse afectada por el ultrasonido enfocado, controlar el efecto y asegurarse de que el sangrado se haya detenido y el los tejidos circundantes no se dañan.

El personal del Laboratorio de Física Aplicada y Acústica Médica de la Universidad de Washington, EE. UU., desempeñó un papel importante en el desarrollo de este método. Desarrollaron prototipos de dispositivos apropiados, realizaron investigaciones en animales de experimentación y demostraron la posibilidad de usar el método ultrasónico para detener el sangrado en estudios preclínicos en objetos como el hígado, la lengua y los vasos sanguíneos [43] .

Aplicación en cirugía plástica y cosmetología

El ultrasonido focalizado se ha utilizado con éxito en la cirugía plástica para la liposucción , es decir, la extracción o succión (aspiración) del exceso de tejido adiposo. Varias empresas producen equipos de ultrasonido de enfoque para la liposucción no invasiva y suministran dichos equipos a muchas instituciones médicas y de belleza. El principio de funcionamiento del equipo se basa en el hecho de que el ultrasonido enfocado destruye las células grasas sin dañar los tejidos circundantes. Luego, el sistema inmunológico del cuerpo elimina las células grasas del cuerpo durante un período de aproximadamente tres semanas. Al mismo tiempo, no se recomienda eliminar más de 0,5 litros de grasa del cuerpo, pero dichos efectos se pueden realizar mensualmente. La mayoría de los pacientes reportan una reducción de 2,5 cm en la circunferencia de la cintura después de cada sesión. El procedimiento toma un poco de tiempo, es indoloro y no tiene efectos secundarios graves; Después del procedimiento, el paciente puede volver a trabajar. Desde 2005, el procedimiento ha superado con éxito los ensayos clínicos en varios centros de EE. UU., Reino Unido, Israel, Japón y Rusia. A mediados de 2007, se habían realizado más de 300 000 procedimientos de tratamiento en 250 clínicas en 46 países [1] .

Los dispositivos basados ​​en el uso de HIFU también han encontrado aplicación en cosmetología. El lifting ultrasónico (lifting) de la cara es el más utilizado . Aquí se produjo un progreso significativo después de la llegada del aparato del Sistema Ulthera . Como resultado de su uso, se produce un engrosamiento y tensado de los tejidos blandos de la cara, cuello, mandíbula inferior y cejas, mejora de contornos, alisado de arrugas en la zona de los ojos, etc. El mecanismo del efecto está asociado al punto coagulación, que estimula la renovación de las células gracias al retorno de la elastina y el colágeno a las fibras , que sirven de marco a la piel y determinan su forma original. El uso del dispositivo en cosmetología está aprobado por la FDA [1] .

El ultrasonido también se utiliza en cosmetología estética para el peeling superficial , es decir, la eliminación de las capas superiores e impurezas de la piel y células muertas, para igualar el relieve cutáneo; mejora de la microcirculación en general; mejorar la nutrición de la piel, tejido subcutáneo y músculos; para efectos antiinflamatorios [1] .

Litotricia

Una aplicación bien conocida del ultrasonido enfocado es la litotricia extracorpórea por ondas de choque ( ing.  Extracorpreal Shock Wave Lithotripsy, ESWL ), es decir, un procedimiento para triturar cálculos renales usando ondas de choque que bloquean el uréter y causan un dolor insoportable y, a veces, potencialmente mortal. complicaciones El objetivo del procedimiento es triturar las piedras en partículas más pequeñas que puedan eliminarse fácilmente del cuerpo. Los instrumentos diseñados para este propósito se denominan litotriptores . Con toda la variedad de diseños de litotriptores producidos industrialmente (hay más de 40 modelos de estos dispositivos), todos utilizan uno de estos tres principios:

Se presta una atención considerable al estudio de los mecanismos de destrucción de los cálculos renales cuando se utilizan litotriptores [44] [45] .

Estimulación de estructuras nerviosas receptoras

La investigación sobre la posibilidad de estimular las estructuras nerviosas utilizando pulsos de ultrasonido enfocados comenzó en la URSS a principios de la década de 1970 por el Instituto Acústico y el laboratorio del Instituto de Fisiología Evolutiva y Bioquímica. I. M. Sechenov Academia de Ciencias de la URSS, dirigida por un conocido fisiólogo ruso Corr. Academia de Ciencias de la URSS G. V. Gershuni (1905-1992). El objetivo de la investigación era demostrar que el ultrasonido se puede utilizar para la excitación a largo plazo y repetidamente repetida de las estructuras de los neurorreceptores sin el riesgo de su destrucción. Por sugerencia de G. V. Gershuni, se eligió la mano humana como objeto inicial de estudio. La piel y los tejidos de la mano contienen un gran número de estructuras nerviosas perceptoras, cuyos estímulos adecuados son agentes mecánicos, térmicos y de otro tipo [7] .

. En los 1970s Se demostró por primera vez que con la ayuda de pulsos cortos (del orden de unidades o fracciones de milisegundos) de ultrasonido enfocado, es posible activar estructuras nerviosas receptoras humanas [46] . Resultó que al estimular la superficie de la piel, es posible reproducir todas las sensaciones que una persona percibe en la vida cotidiana al interactuar con el mundo exterior a través de la piel: tacto, temperatura (calor y frío), cosquillas, picazón, también como una amplia variedad de sensaciones de dolor, incluido el profundo [7] [21] [47] . E. M. Tsirulnikov (1937–2016) [7] [21] [47] desempeñó un papel importante en estos estudios . Al estudiar los mecanismos de los efectos obtenidos, se demostró que la estimulación de la estructura nerviosa está asociada con un gradiente del factor estimulante: un desplazamiento unidireccional del medio debido a la fuerza de radiación [47] [48] .

Dado que en algunas enfermedades (por ejemplo, cutáneas, neurológicas) los umbrales para varias sensaciones (por ejemplo, táctiles o dolorosas) difieren significativamente de los umbrales para sujetos con sensibilidad normal, este método se utilizó para diagnosticar una serie de enfermedades acompañadas de cambios en sensibilidad de la piel y los tejidos [7] .

Un área de investigación independiente es la justificación y el uso práctico del método ultrasónico para presentar información auditiva a una persona. Estos trabajos comenzaron a mediados de la década de 1970 y continuaron hasta finales de la década de 1980. empleados del Instituto de Fisiología Evolutiva y Bioquímica. I. M. Sechenov Academia de Ciencias de la URSS, el Instituto de Investigación de Oído, Garganta, Nariz y Habla de Leningrado y el Instituto Acústico (E. M. Tsirulnikov, Prof. A. S. Rosenblum y otros) [7] [21] . Se sabe que en la audiometría se utilizan teléfonos aéreos y óseos , con la ayuda de los primeros se obtienen audiogramas que caracterizan la conducción aérea del sonido, con la ayuda de los últimos, óseos y tisulares. Cuando se utilizan ultrasonidos enfocados, la ruta de paso de las vibraciones ultrasónicas a las estructuras perceptoras difiere de la de la estimulación sonora. De ahí se sigue que las curvas frecuencia-umbral obtenidas en estos dos casos también caracterizan, hasta cierto punto, la diferencia en el camino de la información sonora hacia el laberinto. Comparando audiogramas y curvas de umbral de frecuencia ultrasónica entre sí, es posible obtener datos adicionales sobre el estado funcional del órgano auditivo. Por lo tanto, el método ultrasónico de introducir información auditiva a una persona puede usarse para diagnosticar enfermedades del órgano de la audición [7] .

Se llevó a cabo un examen correspondiente en el Instituto de Investigación de Oído, Garganta, Nariz y Habla de Leningrado en más de 500 pacientes con diversas deficiencias auditivas. Las curvas de umbral de frecuencia ultrasónica se compararon en función auditiva normal y con deterioro. Resultó que las curvas de frecuencia-umbral obtenidas de los pacientes difieren significativamente de los audiogramas tomados de ellos, mientras que se encontró una clara correlación entre el tipo de curvas de frecuencia-umbral en los pacientes y la naturaleza de la enfermedad, que puede usarse para diagnosticar varios trastornos auditivos. Esta circunstancia se aprovechó en la clínica para diagnosticar otosclerosis , hipoacusia neurosensorial , neurinoma del acústico , etc. [49] .

Una de las observaciones clínicas importantes fue que con la pérdida auditiva bilateral completa confirmada audiológicamente (la llamada "sordera bilateral súbita"), algunos pacientes podían percibir la información auditiva proporcionada mediante ultrasonido de amplitud modulada, mientras que los dispositivos estándar de amplificación de sonido no permitían lograr esto . . Hay razones para creer que los audífonos ultrasónicos pueden ser efectivos en la pérdida de audición o sordera con pérdida parcial o total de elementos receptores, pero con la preservación de las fibras nerviosas auditivas, a través de las cuales se transmite la información auditiva desde las células ciliadas al cerebro. Por lo general, las prótesis auditivas para estos pacientes se realizan implantando electrodos irritantes en el área con fibras nerviosas auditivas preservadas. A diferencia de este método, la introducción de información auditiva a los sordos mediante ultrasonido enfocado es "sin contacto" y no requiere una operación bastante complicada. Sin embargo, la seguridad del uso a largo plazo de este método sigue siendo objeto de investigación [1] .

Problemas de naturaleza objetiva (muerte del jefe de investigación clínica con ultrasonido enfocado, A. S. Rosenblum, y la posterior terminación de dicha investigación en el Instituto de Investigación Len Lor, la falta de financiación para el trabajo de AKI en acústica médica desde principios 1990) llevó al hecho de que el trabajo sobre el uso de ultrasonido enfocado en otología en Rusia ya no se llevó a cabo [1] .

Neuromodulación de estructuras cerebrales cuando se exponen a HIFU a través del cráneo

La neuromodulación ultrasónica se refiere a un cambio en la actividad funcional de las neuronas cerebrales bajo la influencia de los efectos directos o indirectos de los ultrasonidos sobre ellas [1] . Todos los datos presentados a continuación corresponden a la neuromodulación de estructuras cerebrales durante la exposición a HIFU a través del cráneo. La mayoría de los ensayos clínicos se realizaron bajo la guía de resonancia magnética utilizando el sistema clínico mencionado anteriormente para cirugía HIFU ExAblate, InSightec , que tiene una forma hemisférica, 30 cm de diámetro y consta de 512 o 1024 elementos. La frecuencia de ultrasonido fue de 250 o 650 kHz.

Se ha demostrado que HIFU es útil en el tratamiento del dolor neuropático [50] , el temblor esencial [51] y la enfermedad de Parkinson. Se han obtenido resultados alentadores en el uso de HIFU para la destrucción de un tumor intracerebral - glioblastoma [52] , el tratamiento de la neuralgia del trigémino [53] , así como hemorragias intracerebrales [54] y la enfermedad de Alzheimer . Los resultados de la mayoría de los experimentos de laboratorio y ensayos clínicos realizados nos permiten contar con la aplicación exitosa del método de ultrasonido para la neuromodulación de estructuras cerebrales.

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Gavrilov L. R. , 2013 .
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Literatura

Véase también