Fantomas y símiles de tejidos para aplicaciones biomédicas

detalle de un fantoma de la zona superior del cerebro de un neonato
Circunvoluciones cerebrales, detalle de un fantoma de la zona superior del cerebro de un neonato

Los símiles biológicos o fantomas juegan un importante papel tanto en el uso como en el desarrollo de tecnologías médicas para el diagnóstico, tratamiento y caracterización de tejidos y fluidos biológicos. Encuentran utilidad en 3 aspectos:

  1. Constituyen una herramienta esencial para guiar el desarrollo de instrumentación y caracterizar las especificaciones y el desempeño de la misma.
  2. Permiten calibrar los equipos de medida y diagnóstico, previo a su uso con personas o animales, dotando al equipo de una mayor seguridad.
  3. Sirven como instrumento de entrenamiento a los usuarios que han de manejar equipos de medida y diagnóstico, en un entorno seguro y sin la presión de las consecuencias derivadas de posibles errores durante esta fase de aprendizaje.

Existe una gran variedad de materiales utilizados para la fabricación de fantomas, atendiendo a las propiedades físicas de los tejidos a reproducir, durabilidad, requerimientos de fabricación, precio, etc.

El alcohol de polivinilo (PVA) es uno de nuestros materiales preferidos para fabricar símiles de tejidos por sus excelentes cualidades de robustez, durabilidad y similitud con diferentes tejidos biológicos. Además, la posibilidad de utilizar aditivos en su formulación posibilita un ajuste más fino de sus propiedades a las de los materiales a simular. Además del PVA, trabajamos con otros materiales poliméricos como algunos elastómeros de PVC (plastisoles), siliconas, geles de ceras, agar, etc. Además, la incorporación de impresión 3D a los procesos de producción de los símiles de tejidos aporta una gran flexibilidad tanto para producir moldes, como símiles de tejidos óseos.

Fantoma de la parte superior de la cabeza de un neonato
Fantoma de la parte superior de la cabeza de un neonato:

El PVA permite el moldeo de materiales de muy diversas formas. Es destacable la posibilidad de moldear materiales de PVA en láminas bastante delgadas (0.2-1mm) sin romperse, para simular tejidos epiteliales y realizar recubrimientos, resultando un material bastante resistente.

En cuanto a los tejidos simulados con PVA, se han llevado a cabo distintas propuestas en nuestro grupo, como fue el caso del fantoma de la parte superior de la cabeza de un neonato, simulando piel, meninges, parte superior del cerebro y líquido cefalorraquídeo. Incluimos en el fantoma realizado el cráneo fabricado en PLA (Ácido poliláctico) mediante impresión 3D.

Fantoma calibración de PVA
Fantoma de calibración de PVA para tomografía ultrasónica

Actualmente estamos trabajando en fantomas para tomografía de mama. En particular, se ha desarrollado un fantoma de calibración para ajustar cuidadosamente el equipo de tomografía antes de cada exploración. El fantoma es esencialmente una pieza cilíndrica de sección elíptica que incluye elementos insertos de distintos tamaños, velocidades y atenuaciones, en los rangos de los tejidos que habitualmente se encuentran en la mama (1450-1550 m/s para la velocidad y 1.5-5dB/cm a 3,5MHz para la atenuación).

Asimismo, estamos trabajando actualmente en un fantoma de mama antropomórfico para evaluar la sensibilidad del sistema y afinar los algoritmos de formación y análisis de imagen. Este fantoma simula los ductos lactóforos, así como los tejidos grasos y fibroglandulares de la mama, que son los predominantes en proporción. En ellos insertamos elementos que simulan lesiones de distinta naturaleza: tumores, quistes, fibroadenomas y microcalcificaciones.

 

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—Luis Elvira, Carmen Durán, Ricardo T. Higuti, Marcelo M. Tiago, Alberto Ibañez, M. Parrilla, Eva Valverde, Javier Jiménez y Quique Bassat. Development and characterization of medical phantoms for ultrasound imaging based on customizable and mouldable polyvinyl alcohol cryogel-based materials and 3-D printing: Application to high frequency cranial ultrasonography in infants. Ultrasound in Medicine and Biology, Vol 45, No 8, pp 2226-2241; https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2019.04.030. Agosto 2019.

—Trabajo de fin de máster: Optimización del proceso de fabricación de criogeles de polivinil alcohol (PVA) para la simulación de tejidos biológicos. Autora: Yasmine Bahagi. Director: Luis Elvira Segura. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industriales (UPM). 25/10/2021.

 

Símiles de tumores insertos en un símil de tejido fibroglandular
Símiles de tumores inmsertos en un símil de tejido fibroglandular