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Mar 11, 2023

Resonancia magnética para todos: los escáneres portátiles baratos apuntan a revolucionar las imágenes médicas

El paciente, un hombre de unos 70 años con un mechón de cabello plateado, yace en el neuro

El paciente, un hombre de unos 70 años con un mechón de cabello plateado, se encuentra en la unidad de cuidados intensivos neurológicos (UCI neurológica) del Hospital Yale New Haven. Mirándolo, nunca sabrías que unos días antes le extirparon un tumor de la glándula pituitaria. La operación no dejó marca porque, como es costumbre, los cirujanos llegaron al tumor por la nariz. Charla alegremente con un par de asociados de investigación que han venido a comprobar su progreso con un dispositivo nuevo y potencialmente revolucionario que están probando.

La máquina cilíndrica está a la altura del pecho y podría ser el melancólico hermano mayor de R2D2, el robot de Star Wars. Uno de los investigadores guía con cuidado el escáner autopropulsado de 630 kilogramos hasta la cabecera de la cama y lo dirige con un joystick. Levantando al hombre por la sábana, los investigadores lo ayudan a introducir la cabeza en el Swoop, un escáner portátil de imágenes por resonancia magnética (IRM) fabricado por una empresa llamada Hyperfine.

"¿Quieres tapones para los oídos?" pregunta Vineetha Yadlapalli, la segunda investigadora.

"¿Es tan fuerte como una resonancia magnética normal?"

"De nada."

"Entonces supongo que no los necesito."

Después de apoyar las piernas del paciente para aliviar la tensión en su espalda, Yadlapalli pone a funcionar la máquina, tecleando algunas instrucciones de un iPad. La máquina emite un gruñido bajo, luego procede a emitir un pitido y un clic. En cuestión de minutos, aparece una imagen del cerebro del paciente en la tableta de Yadlapalli.

Durante media hora, el hombre yace en silencio, con las manos cruzadas sobre el vientre. Podría estar arreglándose el pelo con un secador de pelo antiguo. En cierta medida, es un pionero que ayuda a llevar la IRM a donde nunca antes había llegado.

En muchos casos, la resonancia magnética establece el estándar de oro en imágenes médicas. Las primeras imágenes de resonancia magnética útiles surgieron a fines de la década de 1970. En una década, los escáneres comerciales se habían extendido a través de la medicina, permitiendo a los médicos obtener imágenes no solo de huesos, sino también de tejidos blandos. Si los médicos sospechan que ha tenido un accidente cerebrovascular, ha desarrollado un tumor o se ha desgarrado el cartílago de la rodilla, es probable que le prescriban una resonancia magnética.

Si tienes la suerte de poder conseguir uno, eso es. Un escáner de resonancia magnética emplea un campo magnético para hacer girar los núcleos atómicos en el tejido vivo, específicamente los protones en el corazón de los átomos de hidrógeno, para que emitan ondas de radio. Para generar el campo, un escáner estándar emplea un electroimán superconductor grande y poderoso que eleva el costo de una máquina a $ 1.5 millones o más, lo que hace que la resonancia magnética esté fuera del alcance del 70% de la población mundial. Incluso en los Estados Unidos, hacerse una resonancia magnética puede requerir días de espera y un viaje a medianoche a un hospital distante. El paciente debe acercarse al escáner, no al revés.

Durante años, algunos investigadores se han esforzado por construir escáneres que utilicen imanes permanentes mucho más pequeños, hechos de la aleación que se encuentra a menudo en los juguetes de escritorio. Producen campos aproximadamente 1/25 de la intensidad de un imán de resonancia magnética estándar, que alguna vez habría sido demasiado débil para obtener una imagen utilizable. Pero, gracias a una mejor electrónica, una recopilación de datos más eficiente y nuevas técnicas de procesamiento de señales, varios grupos han obtenido imágenes del cerebro en campos tan bajos, aunque con una resolución más baja que la resonancia magnética estándar. El resultado son escáneres lo suficientemente pequeños como para rodarlos hasta la cama de un paciente y posiblemente lo suficientemente baratos como para hacer que la resonancia magnética sea accesible en todo el mundo.

Las máquinas marcan un triunfo tecnológico. Kathryn Keenan, ingeniera biomédica del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología que está probando un escáner hiperfino, dice: "Todos los que pasan están muy impresionados de que incluso funcione". Algunos dicen que los escáneres también podrían transformar las imágenes médicas. "Estamos potencialmente abriendo un campo completamente nuevo", dice Kevin Sheth, un neurólogo de la Escuela de Medicina de Yale que ha trabajado extensamente con Swoop pero no tiene ningún interés financiero en Hyperfine. "No es una cuestión de '¿Esto va a pasar?' Va a ser una cosa".

En agosto de 2020, el Swoop se convirtió en el primer escáner de campo bajo en obtener la aprobación de la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. (FDA) para obtener imágenes del cerebro, y los médicos lo están sometiendo a estudios clínicos en Yale New Haven y en otros lugares. Otros dispositivos están muy cerca. Pero Andrew McDowell, físico y fundador de la consultora NeuvoMR, LLC, advierte que no está claro que haya un mercado para un escáner de campo bajo, con su resolución más baja. "El verdadero desafío será convencer a los médicos para que comiencen a usarlo", dice. "Eso es muy difícil porque por buenas razones son muy conservadores".

Un escáner de resonancia magnética no funciona como una cámara; en realidad es una radio que sintoniza protones en tejido vivo. Al igual que la pequeña aguja de una brújula, cada protón es magnético y, por lo general, los protones apuntan al azar en todas las direcciones (consulte el gráfico a continuación). Sin embargo, un campo magnético externo puede alinearlos. En ese punto, un pulso de ondas de radio de la frecuencia y duración adecuadas puede inclinarlos 90°. Los protones alineados luego giran como giroscopios, emitiendo una señal de radio propia, cuya frecuencia aumenta con la fuerza del campo.

Ese fugaz zumbido de radio monótono revela poco. Para crear una imagen, el escáner debe distinguir entre ondas provenientes de diferentes puntos del cuerpo. Para hacer esto, esculpe el campo magnético, lo que hace que los protones en diferentes lugares canten a diferentes frecuencias y estados de sincronía. El escáner también debe distinguir un tipo de tejido de otro, lo que hace aprovechando el hecho de que las señales de radio se desvanecen a diferentes velocidades en diferentes tejidos.

Una de las razones por las que la señal se apaga es que los protones se desalinean unos a otros a través de sus propios campos magnéticos. La velocidad a la que esto sucede difiere, por ejemplo, entre la materia grasa del cerebro y el líquido cefalorraquídeo acuoso. Para medir la tasa, el escáner aplica pares de pulsos. El primer pulso crea una señal que se desvanece a medida que las orientaciones de los protones giran en abanico. El segundo invierte gran parte de esa evolución, provocando un eco de la señal. Sin embargo, las interacciones protón-protón silencian ese eco. Entonces, el escáner puede medir su velocidad al rastrear cómo se reduce el eco a medida que aumenta la demora entre los dos pulsos.

Mientras aplica par tras par de pulsos, el escáner debe clasificar simultáneamente los ecos que provienen de diferentes puntos del cerebro. Para hacer eso, se basa en gradientes de campo magnético aplicados en momentos clave. Por ejemplo, un gradiente aplicado durante el eco desde la barbilla hasta la coronilla hace que los protones en diferentes cortes laterales a través de la cabeza irradien a diferentes frecuencias. Un gradiente aplicado entre pulsos y a través de la cabeza colocará protones en cortes verticales adelante o atrás en su giro, una diferencia de "fase" que hace que los ecos de algunos cortes se refuercen entre sí y otros se cancelen. Al variar el gradiente, el escáner puede deducir la fuerza del eco de cada corte.

A lo largo de muchas repeticiones, el escáner reúne una plétora de ecos en los que la intensidad varía con el retardo, la frecuencia y la fase. Un algoritmo matemático estándar los decodifica para producir un mapa de cómo varían las interacciones protón-protón en todo el cerebro, formando un tipo de imagen de resonancia magnética. Otras secuencias de pulso sondean otros procesos específicos de tejido, como la rapidez con la que se difunden los protones, que pueden rastrear el flujo de fluido.

Todos esos pulsos explican por qué las exploraciones de resonancia magnética toman tiempo y por qué una máquina de resonancia magnética emite chirridos, clics y zumbidos. Esos sonidos emergen cuando las tensiones mecánicas sacuden las bobinas portadoras de corriente que crean los gradientes magnéticos. Un técnico puede saber qué tipo de escaneo está haciendo una máquina solo con esos sonidos, dice Yadlapalli.

Un campo más fuerte facilita todo esto al polarizar los protones más a fondo y crear una señal más grande. El imán de un escáner estándar produce un campo de 1,5 tesla, 30.000 veces más fuerte que el campo de la Tierra, y algunos alcanzan los 3 o 7 tesla. Aun así, los protones que apuntan a lo largo de un campo de 1,5 teslas superan en número a los que apuntan en la otra dirección en solo un 0,001 %. Reduzca la intensidad del campo por un factor de 25 y la polarización cae con él. La relación señal-ruido se desploma aún más, en un factor de casi 300.

En principio, un escáner de campo bajo podría obtener una señal del ruido al tomar datos durante un período de tiempo más largo, al igual que los radioastrónomos filtran una señal débil del ruido al enfocar sus platos en una estrella durante horas o días. Esa táctica no funcionará con un humano, que puede quedarse quieto solo por un tiempo. Entonces, al desarrollar la resonancia magnética de campo bajo, los investigadores tuvieron que encontrar formas de extraer datos mucho más rápido.

Un elemento clave es un mejor hardware, dice Joshua Harper, ingeniero neuronal de la Universidad Alemana de Paraguay. "Ahora tenemos dispositivos electrónicos realmente rápidos y realmente baratos", dice. "Eso es realmente por lo que funciona". Aun así, hacer una resonancia magnética de campo bajo en una habitación de hospital es complicado. El metal en otras máquinas e incluso en las paredes puede distorsionar el campo, y la estática de otros dispositivos puede interrumpir la señal de radio. Entonces, los escáneres emplean contramedidas. Por ejemplo, Swoop de Hyperfine usa antenas para medir el ruido de la radio y cancelarlo, de forma similar a como los auriculares con cancelación de ruido bloquean el sonido.

Los nuevos escáneres también aprovechan un aspecto del campo inferior para funcionar más rápido. Para manipular los protones, un escáner de alto campo debe usar ondas de radio de mayor frecuencia y mayor energía, por lo que puede pulsar tan rápido antes de que comience a calentar al paciente. Libre de ese límite de velocidad, un escáner de campo bajo puede pulsar más rápido y usar secuencias de pulso más eficientes, dice Matthew Rosen del Hospital General de Massachusetts, físico que cofundó Hyperfine. "Podemos interrogar muy, muy rápidamente, haciendo cosas que nunca podrías hacer en campo alto".

Aun así, la recopilación de datos lo suficientemente rápido para la reconstrucción de imágenes estándar sigue siendo un desafío. Una solución es emplear nuevas técnicas de procesamiento de señales, incluida la inteligencia artificial. Los ingenieros de Hyperfine usan un conjunto de imágenes de entrenamiento para enseñar un programa llamado red neuronal para construir imágenes cerebrales a partir de datos relativamente escasos, dice Khan Siddiqui, director médico y director de estrategia de Hyperfine. "Ahí es donde entra nuestra salsa secreta".

En comparación con un escaneo estándar, una imagen de campo bajo parece más borrosa. Aún así, los físicos ven su belleza. "Es esta increíble historia de éxito de la física", dice Rosen. "No se trata solo de que los físicos de cabeza puntiaguda [hagamos el tonto] y hagamos cosas que a nadie le importan". La tecnología reivindica a aquellos que trabajan duro en un rincón olvidado del campo, dice McDowell. "¿Quién en su sano juicio construiría una máquina de 65 militesla cuando la gloria está en construir la de 11 tesla?"

Hyperfine dice que su escáner swoop ha tenido un comienzo bastante glorioso. Ha vendido más de 100 de las máquinas, la mayoría en Estados Unidos, a unos 250.000 dólares cada una. El objetivo no es reemplazar los escáneres de campo alto, sino expandir la forma en que se usa la resonancia magnética, dice Siddiqui. "Nuestro escáner portátil acerca la resonancia magnética al paciente, tanto en el tiempo como en la distancia". Hyperfine prevé usarlo en la UCI neurológica para evaluar rápidamente a los pacientes que están demasiado enfermos o inestables para llevarlos a una máquina convencional de resonancia magnética o tomografía computarizada, que produce un tipo de rayos X en 3D.

El imán de un Swoop consta de dos discos y produce un campo de 64 militesla. Un escaneo desde él se siente dramáticamente diferente de un escaneo estándar. En un escáner convencional, una mesa automatizada lo desliza corporalmente hacia el imán cilíndrico. Con el Swoop, un paciente capacitado puede meterse en el imán como si se deslizara bajo el parachoques de un automóvil. Una pieza de cabeza similar a un casco que contiene las antenas acuna su cabeza tan cómodamente que puede tocar su nariz, pero sus brazos y piernas están libres. El chirrido de la máquina es suave, incluso relajante.

A fines de 2019 y principios de 2020, cuando se desató la pandemia de coronavirus, Sheth y sus colegas probaron la promesa de Swoop escaneando a 50 pacientes de la UCI, incluidos 20 con COVID-19. Debido a que muchos estaban conectados a ventiladores y sedados, "no teníamos idea de cuál era su estado neurológico y no había manera de examinarlos mediante ninguna modalidad de imágenes disponible", recuerda Sheth. "Y esto nos proporcionó una forma de hacerlo al lado de la cama". Los escaneos revelaron trauma cerebral en 37 casos, incluidos ocho pacientes con COVID-19, informaron los investigadores en enero de 2021 en JAMA Neurology.

Las máquinas más pequeñas y económicas también podrían permitir que los pacientes obtengan exploraciones de seguimiento más frecuentes. Esa es una perspectiva que resuena con Ronald Walsworth, físico de la Universidad de Maryland, College Park, y cofundador de Hyperfine. En 2007, su hijo de entonces 2 años desarrolló un tumor cerebral no canceroso. Fue tratado con éxito, dice Walsworth, quien forma parte del consejo asesor de Hyperfine. Aún así, dice, "Hubo signos que no se detectaron a tiempo y cosas que no se decidieron de la manera más eficiente porque las resonancias magnéticas solo podían ocurrir de vez en cuando".

Las ventajas del Swoop le han ganado adeptos. "Oh, Dios mío, qué hermosa, hermosa pieza de tecnología", dice Steven Schiff, un neurocirujano pediátrico de la Universidad de Yale que no tiene ningún interés financiero en Hyperfine. Aún así, el Swoop puede pasar por alto detalles que captaría un escáner de campo alto porque su resolución de 1,5 milímetros es la mitad de la de un escáner estándar. Por ejemplo, el equipo de Sheth lo usó para obtener imágenes de los cerebros de 50 pacientes que habían sufrido un accidente cerebrovascular isquémico, visibles con una resonancia magnética estándar. El Swoop falló los cinco trazos más pequeños de tamaño milimétrico, informaron los investigadores en abril de 2022 en Science Advances.

Ese hallazgo muestra que los médicos tendrán que ejercer su juicio al decidir cuándo usar cada tipo de escáner, dice Sheth. "No deberías preocuparte demasiado, pero debes entender el contexto en el que podrías perderte algo", dice. Aún así, McDowell señala que los médicos pueden rehuir un escáner de campo bajo si creen que usarlo podría exponerlos a una demanda por negligencia.

En gran parte del mundo, la resonancia magnética simplemente no está disponible. Un equipo en los Países Bajos espera que su escáner cambie eso. Su imán difiere dramáticamente del de Swoop. Consiste en 4098 cubos de neodimio hierro boro, una aleación desarrollada en la década de 1980 por los fabricantes de automóviles, incrustados en un cilindro de plástico hueco y dispuestos en una configuración llamada matriz de Halbach para producir un campo horizontal uniforme. "Nuestro sistema es intrínsecamente mejor y tiene menos distorsiones", afirma Andrew Webb, físico de resonancia magnética del Centro Médico de la Universidad de Leiden, por lo que requiere menos ayuda de procesamiento como el aprendizaje automático.

Una empresa privada, Multiwave Technologies en Suiza, está tratando de llevar el escáner al mercado. Solicitará la aprobación de la FDA este año y tiene como objetivo alquilar sus máquinas en un modelo de suscripción, dice Tryfon Antonakakis, codirector ejecutivo de Multiwave. "Nuestro objetivo es hacerlo lo más asequible posible y no necesariamente estar en el hospital", dice Antonakakis, ingeniero y matemático aplicado. "Buscamos ir a las montañas, a los desiertos médicos en los países en desarrollo".

Webb y sus colegas, incluido Martin van Gijzen, matemático aplicado de la Universidad Tecnológica de Delft, tienen otro plan para difundir su tecnología: regalarla. "Tomamos la decisión (Martin, yo mismo, todo nuestro equipo) de que no íbamos a patentar cosas", dice Webb. "Todo va a ser de código abierto", para que cualquiera pueda descargar su diseño de Internet y construir escáneres. Webb y sus colegas esperan que los empresarios de los países en desarrollo los fabriquen localmente.

Para sembrar la idea, enviaron un escáner, empacado como un kit, a Johnes Obungoloch, ingeniero biomédico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Mbarara en Uganda, que era estudiante de posgrado en la Universidad Estatal de Pensilvania, University Park, cuando Webb y Schiff estaban También ahí. En septiembre de 2022, Webb y otros viajaron a Uganda para ayudar a Obungoloch y su equipo a ensamblar el escáner en 11 días.

Pronto se pondrá en uso en un proyecto para probar la utilidad de la resonancia magnética de campo bajo en el mundo en desarrollo. El CURE Children's Hospital of Uganda, un centro neuroquirúrgico pediátrico de 55 camas en Mbale administrado por una organización internacional sin fines de lucro, planea comparar el escáner de Obugoloch, un Swoop y un escáner CT. Los médicos tomarán imágenes de los niños con hidrocefalia, en la que el líquido cefalorraquídeo se acumula en el cerebro y lo comprime, lo que puede causar un daño debilitante o fatal. A nivel mundial, la hidrocefalia afecta a 400 000 niños cada año y representa el 75 % de los pacientes del hospital CURE. En África, una infección es la causa habitual.

Durante años, Schiff y sus colegas del hospital han utilizado tomografías computarizadas para guiar una cirugía innovadora que permite que el líquido se drene hacia los ventrículos del cerebro, una alternativa a la instalación de una derivación en el abdomen. Sin embargo, una tomografía computarizada expone a los niños a una radiación de rayos X considerable, por lo que los médicos de CURE verán si las imágenes de resonancia magnética de campo bajo pueden guiar a los cirujanos. "Si la resonancia magnética resulta comparable a la tomografía computarizada, entonces no hay razón por la que debamos seguir usando la tomografía computarizada", dice Ronald Mulondo, médico de CURE que dirige el proyecto.

El estudio está a la espera de la aprobación gubernamental final. Si tiene éxito, Obungoloch prevé construir más escáneres, tal vez para los otros seis hospitales CURE de África, e incluso obtener algunas de las piezas localmente. Uganda tiene atención médica pública, por lo que esa visión depende de la financiación del gobierno, dice.

Aún así, al igual que sus pares en otros lugares, los médicos en Uganda pueden tener reservas sobre la resolución limitada de la técnica, señala Obungoloch. "Los radiólogos lo ven y dicen: 'Bueno, esta es una imagen horrible y no nos importa cuánto tiempo les tomó obtenerla'". Los funcionarios gubernamentales también pueden pensar que los ugandeses no deberían conformarse con imágenes de menor resolución. no importa cuán útil, dice.

En verdad, los desarrolladores de resonancias magnéticas de campo bajo están presionando por nada menos que un replanteamiento de las imágenes médicas. "¿Es la mejor tecnología el escáner que puede proporcionar imágenes de la más alta calidad, o es el escáner que puede conducir a mejores resultados para los pacientes?" pregunta Harper, quien colaboró ​​en la plataforma de código abierto de Webb y espera adquirir un Swoop.

Lo que ganará a los médicos, dice Sheth, será un "caso de uso", una aplicación excelente para los escáneres. Por ejemplo, se les puede poner en ambulancias especiales para el cuidado de accidentes cerebrovasculares. Se pregunta si Hyperfine y otros han encontrado ese caso de uso, pero predice que llegará.

Luego hay pacientes a los que conquistar. Después de su tiempo en el escáner Hyperfine, el paciente con tumor pituitario le confiesa a Yadlapalli que no fue tan cómodo como una resonancia magnética normal. Al notar que todavía no puede respirar por la nariz debido a la cirugía, dice que la canasta para la cabeza que se ajusta bien le molesta. "Preferiría que me llevaran a una resonancia magnética real". Llámalo un pionero reacio.