Los investigadores del Departamento de Ingeniería Médica de Caltech han logrado un progreso significativo en la obtención de imágenes médicas utilizando modelos de frente de onda inspirados en la astronomía. El modelado de frente de onda es un método utilizado para corregir la distorsión óptica causada por la atmósfera terrestre en imágenes astronómicas. Al igual que la atmósfera de la Tierra, el tejido biológico también dispersa la luz, lo que hace que las imágenes microscópicas de los vasos sanguíneos, los nervios y las células cancerosas parezcan distorsionadas. Crédito: Caltech
Los investigadores de Caltech han desarrollado imágenes médicas avanzadas mediante la adaptación de técnicas de modelado de frente de onda de la astronomía para contrarrestar la distorsión causada por el tejido biológico. Usando un cristal fotorrefractivo de «espejo mágico», el equipo logró una alta velocidad, una gran ganancia de energía y altos grados de libertad de control, lo que potencialmente mejoró la detección del cáncer debajo de la piel.
Los investigadores del Departamento de Ingeniería Médica de Andrew y Peggy Cherng en Caltech han dado un gran paso adelante en la obtención de imágenes médicas, inspirándose en el campo de la astronomía.
El artículo que describe esta investigación fue publicado recientemente en fotónica de la naturaleza y se titula “Conformación de frente de onda de alta ganancia y alta velocidad a través de medios de dispersión”.
En astronomía, la atmósfera terrestre distorsiona la luz que llega a los telescopios, lo que da como resultado imágenes borrosas de planetas, satélites y otros objetos cósmicos. La atmósfera terrestre se conoce como medio de dispersión; dispersa la luz, haciendo que las imágenes parezcan borrosas y borrosas. El modelado de frente de onda es un método para generar luz enfocada, revirtiendo la distorsión óptica causada por la atmósfera. En este método, un dispositivo reflectante, como un espejo, «da forma» a las ondas de luz para contrarrestar la distorsión. Es similar a una persona que usa auriculares con cancelación activa de ruido para combatir el ruido ambiental.
El tejido biológico es también un medio de dispersión. El movimiento de la sangre, el movimiento de la respiración y el bombeo constante del corazón crean distorsiones que cambian rápidamente, o confusión, cuando se toman imágenes microscópicas de vasos sanguíneos, nervios e incluso células cancerosas. Así como un astrónomo puede usar el modelado de frente de onda para cancelar la distorsión causada por la atmósfera terrestre, los investigadores en ingeniería médica han explorado el uso del modelado de frente de onda para cancelar la distorsión causada por el tejido biológico.
“Cuando la luz pasa a través de un medio disperso como un trozo de tela, simplemente se dispersa por todos lados. Esto significa que no podemos enfocar directamente la luz en lo profundo del tejido”, dice Lihong Wang, profesor de Ingeniería Médica e Ingeniería Eléctrica de Bren y autor correspondiente del artículo. “La dispersión tiene un efecto acumulativo. Cuantos más fotones dispersos pasan, más distorsión vemos. Mediante el uso de modelos de frente de onda, podemos mitigar el efecto de dispersión y enfocarnos más profundamente en el tejido biológico”.
El laboratorio de Wang emplea un cristal fotorrefractivo para actuar como un «espejo mágico» que cancela la distorsión de la luz causada por el tejido.
Así es como funciona el proceso: si se mira en un espejo de baño estándar, verá una imagen clara y sin distorsiones de usted mismo. Sostenga una botella de vidrio en el ojo entre usted y el espejo y verá una imagen borrosa y distorsionada de usted mismo. Esto se debe a que la botella distorsiona las ondas de luz en el camino hacia el espejo y en el camino de regreso del espejo a los ojos. La «magia» en el «espejo mágico» es la capacidad de mantener la forma de la onda (llamada frente de onda) invirtiendo la distorsión sufrida. En otras palabras, la luz que regresa experimenta la misma distorsión tanto en el camino hacia el espejo como en el viaje de regreso hacia usted, pero al revés, lo que hace que la distorsión se anule. Cuando estos frentes de onda vuelven a atravesar la botella, el resultado es una imagen vívida de ti mismo, como si la botella no existiera.
Sin embargo, el uso de modelos de frente de onda para capturar imágenes más claras de tejido biológico debe satisfacer tres métricas clave. Los métodos anteriores no han podido satisfacer los tres.
La primera métrica clave es la velocidad. Dado que el tejido biológico está vivo y en movimiento, todo el proceso de formación del frente de onda debe realizarse en una milésima de segundo. “Solo cuando tienes el mismo objeto en el mismo estado en la misma ubicación durante el proceso de inversión del tiempo podemos cancelar la distorsión del frente de onda”, dice Wang, quien también es presidente de liderazgo en ingeniería médica de Andrew y Peggy Cherng.
La segunda métrica clave son los llamados “grados de libertad de control”. En lugar de un espejo convencional que puede usar para vestirse por la mañana, el «espejo mágico» que se usa en el modelado de frente de onda se compone de muchos pequeños paneles de espejos. Cuantos más paneles, más control tienen los investigadores para ajustar y dar forma a las ondas de luz para cancelar la distorsión.
La tercera métrica clave, y la más desafiante para Wang y el equipo, es el brillo o la reflectividad del espejo, la llamada «ganancia de energía». Con el “espejo mágico” utilizado en el modelado de frente de onda de alta velocidad con altos grados de libertad de control, la reflectividad suele ser demasiado débil para ser efectiva. El equipo de investigación encontró una solución en cómo se produce un láser.
Cuando las ondas de luz pasan a través de un material con propiedades que le permiten amplificar la luz, también llamado medio de ganancia, los electrones en el medio de ganancia liberan energía en forma de luz adicional. Este proceso amplifica las ondas de luz, formando una luz que viaja en línea recta, lo que se conoce como láser. Asimismo, se utiliza un medio de ganancia láser para amplificar las ondas de luz dispersas que llegan y se reflejan desde el espejo mágico. “Metafóricamente, este medio de ganancia nos permite hacer más brillante el espejo mágico; brilla en el espejo, por así decirlo”, dice Wang. El espejo mágico en sí sigue siendo el mismo, mientras que la luz que se mueve hacia y desde el espejo se amplifica y se vuelve más brillante.
En astronomía, el modelado de frente de onda puede convertir una mancha borrosa en una imagen más clara de un planeta distante. Traducido a la ingeniería médica, este nuevo proceso de modelado médico de frente de onda tiene el potencial de enfocarse claramente en el tejido para detectar el cáncer debajo de la piel.
“Reportamos esta técnica que logra simultáneamente alta velocidad, alta ganancia de energía, lo que significa alta reflectividad, y altos grados de libertad de control. Esto significa que las tres métricas se cumplieron por primera vez”, dice Wang. “Este es un gran paso adelante”.
Referencia: «Conformación de frente de onda de alta velocidad y alta ganancia a través de medios de dispersión» por Zhongtao Cheng, Chengmingyue Li, Anjul Khadria, Yide Zhang y Lihong V. Wang, 23 de enero de 2023, Nature Photonics.
DOI: 10.1038/s41566-022-01142-4
Los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de EE. UU. proporcionaron fondos para la investigación.
