Las sondas sísmicas ayudan a estudiar el cerebro

Las últimas tecnologías en sismología pueden transferirse para el estudio del cerebro, ya que ambas se basan en la propagación de ondas para tener información, las primeras sobre el interior de la Tierra y las segundas sobre el cuerpo humano. Pueden crear una imagen tridimensional del cerebro a partir de ondas de ultrasonido.

Tanto en sismología como en medicina, los científicos estudian la propagación de ondas en diferentes materiales. Mientras que los sismólogos obtienen conocimientos profundos sobre la estructura de nuestro planeta con la ayuda de las ondas sísmicas, los médicos usan ondas de ultrasonido para examinar el cuerpo humano.

Christian Böhm, investigador senior en el Grupo de Sismología y Física Ondulatoria de ETH Zurich, está trabajando con su equipo para transferir los últimos métodos de sismología al análisis de imágenes médicas, tal como explica en la siguiente entrevista.

¿Qué sucede en un terremoto?

La energía liberada por un terremoto se propaga miles de kilómetros por el interior de la Tierra en forma de ondas sísmicas. Dependiendo del material que atraviesen las ondas, tienen diferentes velocidades de propagación. Cuando encuentran un nuevo material, cambian su velocidad y también se dispersan y se reflejan en una interfaz, de forma similar a como lo hacen los rayos de luz en un panel de vidrio. Entonces podemos medir las ondas con instrumentos precisos. En sismología, por ejemplo, usamos estos datos para explorar el interior de nuestro planeta.

¿Cómo funciona esto exactamente?

En los primeros días de la sismología, los tiempos de llegada de las ondas sísmicas se registraban con dispositivos de medición en varios lugares. Si comparas los diferentes tiempos, puedes ver si las ondas han atravesado diferentes materiales. Por ejemplo, los geólogos han analizado la composición del interior de la Tierra y han descubierto que está formado por un núcleo y un manto. Con los métodos de cálculo modernos, ahora también podemos incluir otras propiedades de onda, como la amplitud y la forma de onda, en nuestra evaluación. Al atravesar el interior de la Tierra, estas propiedades se ven influenciadas, al igual que el tiempo de tránsito, dependiendo del material. Por ejemplo, la longitud de onda es más corta cuando la onda pasa por un medio más cálido. Al analizar toda la señal medida de la onda sísmica, podemos determinar la estructura de la Tierra con mayor precisión.

Junto con sus colegas, intenta transferir métodos de la sismología a los procedimientos médicos. ¿Cómo es eso posible?

Existen numerosos paralelismos entre las imágenes médicas y geofísicas. Sin embargo, los exámenes de ultrasonido utilizados en medicina se basan en la propagación de ondas sonoras en el cuerpo humano. Para hacer esto, un dispositivo de ultrasonido emite las ondas, que luego se dispersan y reflejan en diversos grados por las diversas estructuras de tejido del cuerpo, de manera similar a las ondas sísmicas en la Tierra. Las ondas reflejadas se miden nuevamente para que se puedan crear imágenes de alta resolución del interior del cuerpo a partir de estos datos. La principal diferencia con las investigaciones sismológicas radica en la magnitud: en lugar de distancias de varios miles de kilómetros, las ondas ultrasónicas solo se propagan a lo largo de unos pocos centímetros en el interior del cuerpo.

Simulación que muestra cómo se propagan las ondas de ultrasonido a través del cerebro. La barra de color muestra la velocidad de esas ondas al atravesar los diferentes tejidos del cráneo y del cerebro. (Visualización: ETH Zurich/ grupo de investigación Andreas Fichtner).

¿Qué propiedades de las ondas ultrasónicas se utilizan para crear una imagen?

La información sobre el tiempo de llegada de las ondas ultrasónicas reflejadas es suficiente para examinar tejidos blandos, como el tejido conectivo o los músculos. Se vuelve más difícil si desea cartografiar regiones con huesos porque las ondas se dispersan y amortiguan tanto sobre la masa ósea que no llegan de nuevo a los aparatos de medición. Por lo tanto, no se puede reconstruir ninguna imagen de los huesos o las áreas que están detrás de ellos a partir de las señales medidas. Es por eso que estoy trabajando con Patrick Marty y nuestro grupo en un nuevo método que puede usarse para examinar el cerebro, por ejemplo, aunque esté rodeado por un cráneo óseo que en realidad lo protege de las ondas de ultrasonido.

¿Cómo funciona esto?

Trabajamos con frecuencias significativamente más bajas que los dispositivos ultrasónicos convencionales. En lugar de ondas ultrasónicas en el rango de los megahercios, usamos frecuencias de unos pocos cientos de kilohercios. La dispersión y absorción de las ondas en el tejido depende significativamente de la frecuencia y, por lo tanto, también determina la profundidad de penetración de las ondas en el tejido examinado. De esta forma, las ondas de baja frecuencia atraviesan el grueso casquete, atraviesan el cerebro y salen por el otro lado. Allí registramos las ondas ultrasónicas salientes y analizamos sus propiedades. Para ello utilizamos los métodos de cálculo de la investigación sismológica, que no solo incluyen la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas, sino también otras propiedades, como la forma de onda y la amplitud.

Ya existen métodos establecidos para examinar el cerebro, como la tomografía computarizada o la resonancia magnética. ¿Qué ventajas espera del nuevo proceso?

Cuando se examina con ultrasonido, no hay exposición a la radiación, como ocurre con la tomografía computarizada, que utiliza rayos X. Con el nuevo método, un examen podría repetirse incluso después de breves intervalos de tiempo y sería una ventaja para el examen de bebés, por ejemplo. Esto se debe a que, incluso con imágenes de resonancia magnética, los bebés solo pueden examinarse de forma limitada, ya que los pacientes deben permanecer quietos durante todo el examen. Además, el nuevo método se puede utilizar para crear imágenes tridimensionales, que también brindan información sobre la densidad y elasticidad de diferentes áreas del cerebro. Con el nuevo método de imagen, es posible determinar con mucha más precisión qué tipo de tejido está involucrado, incluso sin tomar muestras de tejido adicionales.

¿Qué tan lejos está con su investigación?

Ya se está trabajando en los primeros prototipos: el paciente lleva una especie de casco al que se acoplan varios cabezales de ultrasonidos. Un cabezal de ultrasonido emite una señal que luego viaja a través del cerebro y luego es registrada por los otros cabezales. Después del examen de aproximadamente veinte minutos, podemos usar nuestro software para crear una imagen tridimensional del cerebro. Sin embargo, calcular las imágenes todavía lleva mucho tiempo. Por lo tanto, considero que una aplicación oportuna en las prácticas médicas es poco realista en este momento. Más bien, nuestro trabajo es investigación básica para un método prometedor.