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Eliminación del temblor esencial de Parkinson con Ultrasonido
López Camila
Nascimbene Maria Florencia
Treo Ana Luz
Catedra de Ultrasonido para Uso Médico
Facultad de Ingeniería -Universidad Nacional de San Juan
Libertador 1109 Oeste- 5400 – San Juan, Argentina
Resumen Se presenta el estudio, de un procedimiento médico mediante ultrasonido, para el tratamiento
del Parkinson. El mismo es llevado a cabo mediante el uso de un equipo de ultrasonido de
potencia, donde se enfocan, de manera precisa, varios transductores en la zona del cerebro
principalmente afectada, para provocar a través de ondas acústicas la elevación de
temperatura del tejido y con esto generar la muerte celular.
En este trabajo se explica tanto el equipamiento empleado como el procedimiento a seguir en
los pacientes tratados. Se evalúan los efectos secundarios, como así también las ventajas y
desventajas de su utilización como tratamiento principal en la medicina convencional.
1- Introducción El tratamiento del Parkinson a través de ultrasonido consiste en la utilización de ondas
de acústicas para romper las células neurológicas dañadas en el cerebro humano con
pacientes con Parkinson y temblor esencial mejorando los movimientos involuntarios de los
mismos. Lo que esta técnica aporta, respecto al tratamiento convencional con neurocirugía, es
el hecho de evitar la operación, y con ello todos los riesgos que esta conlleva, provocando
una mejoría de los principales síntomas, teniendo una duración indefinida.
La realización de esta técnica de ultrasonido, y con el diagnóstico por imagen
mediante resonancia magnética, es un proceso que consiste en aplicar en un tejido de pocos
milímetros, un tratamiento de ultrasonidos que genera hipertermia localizada y finalmente,
ablación de la zona.
2- Enfermedad de Parkinson La enfermedad de Parkinson es un trastorno neurológico degenerativo y lentamente
progresivo frecuente, que afecta a las zonas del sistema nervioso central encargadas de
controlar los actos motores. En el cerebro de las personas con enfermedad de Parkinson se ha
detectado la degeneración progresiva de las células encargadas de sintetizar la dopamina
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(Figura 1). Esta sustancia es fundamental para la ejecución correcta de todos los actos
motores. La menor producción de dopamina produce un enlentecimiento de los movimientos
que afecta a todos los músculos del cuerpo.
Figura 1 Cerebro del paciente.
Es una enfermedad crónica, es decir, que persiste durante un extenso período de
tiempo, y progresiva, lo que significa que sus síntomas empeoran con el tiempo. A medida
que las células nerviosas (neuronas) en partes del cerebro se deterioran o mueren, se puede
empezar a notar problemas con el movimiento, temblores o rigidez en las extremidades o en
el tronco, o problemas de equilibrio (Figura 2). Al volverse estos síntomas más pronunciados,
las personas pueden tener dificultad para caminar, hablar o completar otras tareas sencillas.
Figura 2. Síntomas de enfermedad de Parkinson
Los estudios demuestran que la mayoría de las personas con Parkinson han perdido un
60 a 80 por ciento, o más, de las células productoras de dopamina en la sustancia negra, en el
momento de la aparición de los síntomas y que también tienen pérdida de las terminaciones
nerviosas que producen el neurotransmisor norepinefrina (Figura 3). La norepinefrina está
estrechamente relacionada con la dopamina. Es el mensajero químico principal del sistema
nervioso simpático, la parte del sistema nervioso que controla muchas de las funciones
automáticas del cuerpo, como el pulso y la presión arterial. La pérdida de norepinefrina puede
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ayudar a explicar varias de las características no motrices que se ven en la enfermedad de
Parkinson, entre ellas, la fatiga y las anomalías relacionadas con la regulación de la presión
arterial.
Las células cerebrales afectadas de las personas con esta enfermedad contienen
cuerpos de Lewy, que son depósitos de la proteína alfa-sinucleína. Los investigadores aún no
saben por qué se forman los cuerpos de Lewy o qué papel juegan en la enfermedad. Algunas
investigaciones sugieren que, en las personas con la enfermedad de Parkinson, el sistema de
eliminación de proteínas de las células puede fallar y hacer que las proteínas se acumulen a
niveles nocivos desencadenando la muerte celular (Figura 3). Otros estudios han encontrado
pruebas de que las masas de proteína que se desarrollan dentro de las células cerebrales de las
personas con Parkinson pueden contribuir a la muerte de las neuronas. Algunos
investigadores especulan que la acumulación de proteínas en cuerpos de Lewy es parte de un
intento fallido de proteger la célula de la toxicidad de las colecciones o agregados más
pequeños de sinucleína.
Figura 3. Origen de la enfermedad del Parkinson
3- Opciones de tratamiento para la enfermedad de Parkinson Aunque la enfermedad de Parkinson no tiene cura actualmente, hay varias opciones
de tratamiento, que incluyen la medicación y la cirugía.
Los tratamientos para la enfermedad de Parkinson incluyen:
� Terapias farmacológicas
• Fármacos dopaminérgicos: (incluida la levodopa): una clase de fármacos de
acción similar a la dopamina.
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• Inhibidor de descarboxilasa: un fármaco que se utiliza con levodopa para
tratar los síntomas de la enfermedad de Parkinson.
• Agonistas de la dopamina: una clase de fármacos que se unen a los
receptores de dopamina e imitan la acción de la dopamina.
• Anticolinérgicos: una clase de fármacos que relajan la musculatura lisa y se
utilizan principalmente para tratar el temblor en la enfermedad de Parkinson.
• Inhibidores de MAO-B: una clase de fármacos que se utiliza para tratar todos
los síntomas de la enfermedad de Parkinson. Estos fármacos bloquean una enzima que
degrada la dopamina, permitiéndole permanecer más tiempo en el receptor.
• Inhibidores COMT: una clase de fármacos que se unen a los receptores de
dopamina e imitan la acción de la dopamina.
Aunque la medicación para la enfermedad de Parkinson se puede utilizar para mejorar
la función motriz, puede perder su efectividad con el tiempo o provocar efectos secundarios.
Además, a medida que la afección progresa, los niveles de medicación necesarios para el
control de la función motriz pueden causar efectos secundarios intolerables o indeseables.
� Palidotomía Una palidotomía consiste en la destrucción de una región del cerebro implicada en el
control del movimiento. La palidotomía puede ser unilateral o bilateral. Los efectos negativos
pueden incluir hemorragia, debilidad, déficits visuales y del habla, y confusión.
� Terapia de estimulación cerebral profunda (DBS Therapy) DBS Therapy, es una terapia de estimulación cerebral que ofrece un tratamiento
ajustable y, si es necesario, reversible para la enfermedad de Parkinson. La terapia usa un
dispositivo médico implantado, similar a un marcapasos, que produce la estimulación
eléctrica de áreas específicas del cerebro. La estimulación de estas áreas permite que los
circuitos del cerebro que controlan el movimiento funcionen mejor.
� Tratamiento con Ultrasonido Focal En el tratamiento conseguimos provocar lesiones en unos núcleos del cerebro
conocidos que están alterados por la enfermedad de Parkinson con una máquina de
ultrasonidos guiada por una resonancia magnética. Básicamente se trata de realizar lesiones
en esos núcleos con la intención de interrumpir una actividad anómala que está provocando
parte de los síntomas motores de la enfermedad.
Está indicado para aquel paciente que tiene unos síntomas que no son controlables
con medicación convencional, es decir, que no se pueden controlar con tratamiento por vía
oral, etc. Cualquier paciente que esté en esa situación, es potencial candidato; a esta y a otras
terapias avanzadas. También serían los pacientes que no son candidatos a cirugía porque
tienen alguna contraindicación.
En este procedimiento se centró la investigación.
4- Descripción del procedimiento con ultrasonido Focal Se aplica un haz, focalizando alta intensidad de ultrasonido para calentar y destruir
localmente un área enferma o dañado del tejido a través de la ablación.
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El ultrasonido focalizado de alta intensidad (HIFU), es una terapia de hipertermia que
utiliza la temperatura para el tratamiento de enfermedades, implica métodos mínimamente
invasivos o no invasivos para dirigir la energía acústica en el cuerpo.
El procedimiento clínico se realiza normalmente en conjunto con una técnica de
diagnóstico por imágenes, para permitir la planificación del tratamiento y la orientación antes
de aplicar niveles terapéuticos o ablativos de energía de ultrasonidos. Cuando se utiliza
resonancia magnética (MRI) para la orientación, la técnica es a veces llamada Ultrasonido
Focalizado guiado por Resonancia magnética, El equipamiento utilizado es similar al
mostrado en la figura (Figura 4).
Figura 4. Equipamiento para Ultrasonido Focalizado guiado por Resonancia magnética
Al paciente candidato se le realiza un escáner y una resonancia magnética para ver si
su cerebro es susceptible de ser tratado con la técnica de ultrasonido focal, donde se constata
que se puede tratar la célula diana sin ningún elemento en su cerebro que impida el
procedimiento.
Se lleva a cabo es una resonancia magnética con una duración de 4 a 5 horas, donde
ocurren dos procesos: las primeras dos horas aproximadamente se dirigen los haces de
ultrasonidos al punto donde se provocará la lesión. La segunda parte del tratamiento se aplica
la sonicación, es decir, enfocar los haces de ultrasonido a potencias cada vez más altas para
provocar la lesión en el punto calculado, por el aumento de la temperatura de la célula diana.
El daño tisular se produce en función tanto de la temperatura a la que se calienta el
tejido y el tiempo que el tejido se expone a este nivel de calor en una métrica denominada
"dosis térmica".
La ventaja de este tratamiento es que mientras se realiza el proceso podemos ver
clínicamente el estado del paciente, donde se puede ir explorando el efecto beneficioso ya
que el mismo, se encuentra consiente en todo momento. Para ello, se le realizan preguntas y
se evalúa in situ durante el procedimiento si se observan mejoras clínicamente o si se tiene
efectos secundarios. Esto es algo muy importante, ya que estos efectos tanto, positivos como
adversos, se pueden observar antes de provocar la lesión.
Al realizar las sonicaciones, se comienza con potencias que no dañan el tejido, aunque
si aumenta su temperatura normal, produciendo un efecto clínico. Esto genera un cambio
momentáneo en el tejido donde se puede ver lo que pasaría cuando exista una lesión. De esta
forma, si se percibe un efecto secundario, se debe desplazar de la zona, permitiendo una gran
seguridad porque no se está lesionando, de manera permanente, pero se observa el efecto
clínico.
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Fundamentos Físicos Como una onda acústica se propaga a través del tejido, parte de él se absorbe y se
convierte en calor. Con haces enfocados en un muy pequeño foco se puede lograr profundizar
en los tejidos. El daño tisular se produce en función tanto de la temperatura a la que se
calienta el tejido y el tiempo que el tejido se expone a este nivel de calor en una métrica
denominada "dosis térmica".
La terapia de ultrasonido con alta potencia consiste en haces ultrasónicos que se
centran en el tejido enfermo, y debido a la deposición de energía en el foco, la temperatura
dentro del tejido puede subir a niveles de 65 ° a 85 ° C, destruyendo el tejido enfermo por
necrosis de coagulación. Niveles de temperatura más altos se evitan para evitar la ebullición
de los líquidos en el interior del tejido.
Con la superposición de imágenes de la zona a tratar se puede lograr precisión la
ablación de tejido enfermo, por lo tanto, que a veces se denomina cirugía HIFU. Debido a
que destruye el tejido enfermo y no es invasiva, que también se conoce como "cirugía HIFU
no invasiva". No se requiere anestesia, pero generalmente se recomienda.
Principales efectos secundarios Teóricamente, durante el procedimiento, no invasivo, el paciente puede tener
sensación de mareo, náuseas y dolor de cabeza, pero esto es transitorio y exclusivamente
durante la realización del ultrasonido. Luego, el riesgo potencialmente más importante sería
que la lesión no esté hecha exactamente en la célula diana que se ha calculado, con la
consecuente mejoría parcial de los síntomas o alteraciones neurológicas como parestesias en
mano o boca, aunque este riesgo es minimizarle, como lo describimos anteriormente.
6- Aplicación
Equipo necesario y sus especificaciones Los transductores de potencia que se van a utilizar para desarrollar el tratamiento
pertenecen al grupo de transductores que producen modificaciones permanentes en el medio
sobre el que se actúa. Existe una amplia gama de procesos que pueden ser provocados
mediante ultrasonido de potencia. Los más importantes en el área industrial son:
mecanización, soldadura, formación de metales, etc. en medios sólidos; limpieza, aceleración
de reacciones químicas, emulsificación, atomización, desespumación, secado, aglomeración
de aerosoles, etc. en medios fluidos. En el área de la medicina se emplean en la eliminación
de cálculos como es el caso de la litotricia.
Los principales puntos a considerar en los transductores son:
• Capacidad de potencia
• Rendimiento
• Amplitud y distribución de la vibración
• Direccionalidad de la radiación emitida.
Los transductores son dispositivos formados por un conjunto de elementos de los
cuales el elemento piezoeléctrico (o magnetostrictivo) constituye el motor del sistema, ya que
es el que cambia sus dimensiones en respuesta a la acción de un campo eléctrico (o
magnético).
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Las cerámicas piezoeléctricas presentan los mayores factores de conversión
electromecánica y tienen, en términos generales, las propiedades más favorables para la
transducción de potencia. Las propiedades eléctricas y las dimensiones de un transductor
piezoeléctrico dependen de las constantes dieléctricas, piezoeléctricas y elásticas del material.
Los factores de calidad mecánico Qm y eléctrico QE tienen en cuenta las pérdidas y
determinan el rendimiento y el ancho de banda. Las limitaciones de potencia de las cerámicas
piezoeléctricas se deben a las pérdidas mecánicas y dieléctricas y se pueden caracterizar
mediante circuitos equivalentes.
Puede demostrarse que la potencia radiada por una cerámica puede expresarse a través
de la ecuación [1]:
(1)
Donde η es el rendimiento electroacústico, w la frecuencia angular de trabajo de
ultrasonido, Qm el factor de calidad mecánico y Um la energía elástica almacenada en el
transductor.
El transductor piezoeléctrico más característico empleado en aplicaciones de potencia
es el que se conoce como transductor Langevin (Figura 5).
Figura 5. Transductor Langevin
El transductor Langevin descrito se emplea para aplicaciones en líquidos tales como,
lavado ultrasónico y reacciones sonoquímicas. La dimensión transversal del conjunto
cerámica-masa tiene que ser menor que 1/4 de la longitud de onda, para cubrir superficies
extensas, se necesita emplear conjuntos de estos elementos. Para aumentar la capacidad de
potencia se construyen transductores con varias parejas de cerámicas piezoeléctricas. Además
se le suele dar una cierta conicidad a la cabeza radiante para ampliar la sección de salida. Esto
incrementa la impedancia de radiación y mejora la transferencia de energía. Se puede
modificar ligeramente la estructura básica del transductor de Langevin intercalando varias
cerámicas entre la contramasa y la cabeza radiante. La interfaz entre las cerámicas agrupadas
en pares, y cada mitad del transductor puede ser considerada como un elemento vibrante de
λ/4. En los casos donde se necesita entregar y/o concentrar más potencia al medio, se
emplean más cerámicas (Figura 6), y también puede acoplarse en la cabeza radiante un
amplificador mecánico.
�� =����
�
8
Figura 6. Transductor Langevin multicapa
El empleo de varios transductores de potencia antes mencionada, dispuestos en un
arreglo bidimensional, orientados envolviendo la superficie donde va a efectuarse el
tratamiento, provoca un efecto de ultrasonido enfocado, en una región de dimensiones
milimétricas. El resultado de este mecanismo, aplicado sobre tejidos biológicos, provoca la
elevación de temperatura en la zona donde se está enfocando (Figura 7). Una elevación de la
temperatura en el punto seleccionado de más de 55ºC, con una permanecía de más de 1s
conseguirá una necrosis tisular y la inmediata muerte celular. La extensión de la lesión
térmica se puede modular cambiando la intensidad, la frecuencia o el tiempo de exposición a
los ultrasonidos. A esta técnica de ruptura de tejidos focalizada por ultrasonido se la conoce
con las siglas HIFU (ultrasonidos de alta frecuencia focalizados).
Figura 7. Focalización de haces de ultrasonido en tejido
Los parámetros más importantes del HIFU son:
1) La frecuencia de ultrasonidos (MHz)
2) La intensidad acústica (vatios)
3) La duración de la aplicación (tiempo del golpe)
4) Los intervalos de los pulsos (tiempo de retardo)
5) La distancia lateral entre lesiones elementales
6) El desplazamiento longitudinal de la fuente de energía cuando se aplican múltiples
lesiones
7) La profundidad de penetración (punto focal) dependiente del diseño del aplicador.
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Estos múltiples parámetros técnicos son esenciales en el montaje de un sistema de
HIFU para un tejido específico y una aplicación dedicada. Las de cisiones técnicas más
difíciles conciernen a la selección y el diseño del aplicador de energía piezoeléctrico, los
parámetros del tratamiento con ultrasonidos (MHz, vatios), el algoritmo de aplicación
(relación impulso-retardo), el sistema de imagen, el objetivo intraoperatorio y las
características de seguridad, la localización del objetivo durante el tratamiento (ecotransrectal
o RMN) y los controles.
Los parámetros físicos en los tejidos biológicos pueden obtenerse a través de una serie
de cálculos analizando el medio como un sistema compuesto por diferentes estructuras.
La relación entre la densidad de masa del tejido y la velocidad de propagación
determina la impedancia acústica específica de cada tejido. A su vez, la relación entre la
densidad de masa y la impedancia específica, determinan la resistencia del tejido a las ondas
ultrasónicas.
Dentro del cuerpo humano, la mayor impedancia corresponde al tejido óseo (6,3 × 106
Zs), mientras la impedancia más baja corresponde al tejido graso (1,4 × 106 Zs) y La sangre o
la piel (ambos con 1,6 × 106 Zs).
La reflexión del haz se produce en los límites entre tejidos, pero será mucho mayor si
la diferencia de impedancia específica es mayor. En la práctica clínica, la mayor reflexión se
produce cuando se está en el límite entre tejido blando y hueso. Hay que tener en cuenta que
a este nivel, la reflexión es de alrededor de 50. El objetivo de la aplicación del ultrasonido es
que se produzca la absorción de la radiación por el tejido. Solo de esta manera es que se
pueden producir los efectos biológicos.
La absorción del ultrasonido por los tejidos biológicos varía. La penetración del
ultrasonido va a depender de factores como:
• Potencia.
• Naturaleza del tejido.
• Frecuencia del haz.
• Dirección del haz
Las ondas ultrasónicas penetran en los tejidos de una forma inversamente
proporcional a la frecuencia, la profundidad menor se alcanza cuanto mayor es la frecuencia.
La absorción, refracción, reflexión y dispersión de la onda sónica se deben tener siempre en
cuenta.
Para realizar este cálculo, se supone un sistema que simule la localización del
tratamiento en el cerebro, compuesto por tres medios (Figura 8).
MEDIO MATERIAL IMPEDANCIA ACUSTICA (Z)
PIEL 1.59 x106
(Z1)
CEREBRO 1,66 x106
(Z3)
HUESO 4,81 x106
(Z2)
Calculo de los coeficientes de transmisión y reflexión:
10
(2)
Figura 8. Esquema de diferentes medios
Para el camino directo empleando las ecuaciones [2]:
Al incidir una onda de amplitud 100, se multiplican los coeficientes calculados
obteniendo la cantidad reflejada y la cantidad transmitida al material:
P2 = P1 x R12 = 1 x (0,5031) El 50% es reflejado hacia la piel
P3 = P1 x T12 = 1 x 1,5031 = 1,5031 % que se transmite por el hueso
P4 = P3 x R23 = 1,5031 x (-0,486) = -0,73 % que vuelve al hueso
P5 = P3 x T23 = 1,5031 x 0,5131 = 0,7712 % se transmite hacia el
cerebro
=�� − ��
�� + �� � =
2��
�� + ��
�� =�� − ��
�� + ��=4,81�10� − 1,59�10�
4,81�10� + 1,59�10�= 0,5031
��� =2���
�� + ��=
2�4,81�10�
4,81�10� + 1,59�10�= 1,5031
��� =2���
�� + ��=
2�1,66 ∗ 10�
4,81�10� + 1,66�10�= 0,5131
�� =�� − ��
�� + ��=1,66�10� − 4,81�10�
4,81�10� + 1,66�10�=−0,4868
Piel Cerebro Hueso
P1
P2
P3
P5
P4
11
Como puede observarse, un 50% de la potencia inicial es reflejada por el hueso, con
lo que solo se transmite una pequeña porción de la misma al cerebro. De esto se deduce que
la potencia inicial debe ser alta, y para lograr el efecto de enfoque deseado sobre el tejido,
deben emplearse una cantidad elevada de transductores, cuidadosamente posicionados y
orientados.
Se debe analizar es el tipo de señal a utilizar, es decir, si pulsada o continua. Se da por
entendido que la generación pulsada de ultrasonido no lograría transmitir al tejido, la energía
necesaria para lograr la elevación de temperatura que provoque la muerte del tejido. Con lo
que se empleara una onda continua, es decir la emisión ultrasónica ininterrumpida en el
tiempo. Este tipo de emisión produce calor constante en el tejido no pudiendo enfriarse hasta
quitar la emisión.
La potencia requerida es fundamental para el procedimiento se considera que el
transductor debe ser de titanio de plomo, ya que respecto a otros materiales utilizados en
transductores es el más ventajoso por ser menos sensible a cambios de temperatura, más
resistente a los golpes, y permite aplicar mayor potencia ultrasónica (30 Watts/cm²).
Para hacer la dosificación a través de la fórmula de la densidad de energía [3]:
(3)
Donde:
DE: densidad de energía (J/cm2).
P: potencia (W).
t: tiempo de aplicación (s).
Ss: área de tratamiento del cabezal.
Si se desea calcular el tiempo que se necesita para lograr una densidad energética
determinada, entonces, se despeja el tiempo en la fórmula anterior
De esta manera, se plantea que se debe utilizar una densidad de energía (DE) por
debajo de 30 J/cm2, cuando se tratan los procesos agudos, y por encima de este valor para
casos en estadio crónico. Generalmente, se utilizan potencias altas de 1 ó 1,5 W, ya que por la
misma fórmula, al quedar la potencia en el denominador, entonces se aprecia que con
mayores potencias, se necesitará menos tiempo para obtener la misma densidad de energía.
En cuanto al foco se sabe que una lente acústica se puede obtener de dos maneras que
producen resultados equivalentes, tallando el perfil de la cara emisora de un transductor o
pegando a la cara emisora una capa con forma lenticular. Esta última será la utilizada para
esta aplicación. Para el cálculo del diámetro del transductor (D) se estima mediante la
fórmula de profundidad de foco (Figura 5).
(4)
A partir de la misma se obtiene un valor aproximado de 5 cm2 con una profundidad de
foco de entre 2 a 10cm.
� = �!
"#
�$ = 4%�&
�
12
Figura 5. Técnica HIFU Aplicada a tejidos
biológicos
8- Conclusiones
A partir de este trabajo de investigación podemos afirmar que el ultrasonidos de alta
frecuencia focalizados es una técnica alternativa totalmente segura y que incluso podría
suplantar a la neurocirugía tradicional ya que las complicaciones que puede generar son
mínimas en comparación con otras técnicas. Además la aplicación de ultrasonido externo
elimina prácticamente el dolor y logrando la correcta focalización de los traductores, se evita
la lesión de tejidos vecinos. Asimismo al ser una técnica no invasiva se evitan posibles
infecciones.
Por otro lado, respecto al equipamiento necesario para realizar la técnica es muy
variado, ya que es un tratamiento que aún se encuentra en proceso de desarrollo e
implementación, con lo que se espera un avance continuo de la tecnología empleada.
Los estudios realizados en pacientes, determinan que es una técnica altamente
efectiva, que produce, no una cura de la enfermedad, pero si un aumento en la calidad de
vida de los mismos. Con esto se espera que con el tiempo se vaya introduciendo como un
tratamiento principal, en patologías de pacientes con enfermedad de Parkinson, y no solo
como una alternativa para algunos pocos.
En cuanto al precio, actualmente cuesta alrededor de 17.000 euros por procedimiento.
Lo que lleva a ser una solución costosa. Esto se debe principalmente a que se trata de un
tratamiento novedoso, y no ha sido muy difundido todavía, a esto se le suma que se encuentra
disponible en pocos establecimientos de salud, por la misma razón.
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Bibliografía
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2016#Ttt1cfu9DG6OvnJQ
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