Introduction: Ultrasound (US) exams are extensively used in Chile and around the world. This non-invasive imaging technique has many advantages when compared to magnetic resonance, computed tomography, and others because it has a low cost, it does not need ionizing radiation, and it is portable equipment. However, this technique has many challenges; the most known is the balance between resolution and penetration depth. Recently, in 2011, a new technique of US has been described: the ultrasound localization microscopy (ULM). However, it was only in 2015 that this technique gained knowledge with the publication of Errico et al. (2015) who described the ultrafast ultrasound localization microscopy applied in vivo in rats’ brain. ULM eliminates the challenge of the balance between resolution and penetration; but a new challenge emerges: the balance between localization precision of microbubble, microbubble concentration, and acquisition time. The microbubbles (MB) are the contrast agent for the US technique. They have 1-5 µm in diameter and act as a blinking source. These MB are injected into the bloodstream and flow into the circulatory system. ULM is also known as super-resolution imaging; it can produce vascular images with a resolution around 10 µm, 10 times better than the conventional US image. This unprecedented resolution has numerous potential applications. In particular, ULM would have a high impact in oncology because the vascular structure of early tumors, that are in the range of 5 µm to 80 µm, provides information that can help in the early diagnosis and monitor therapy responses. The huge potentiality of ULM has produced a lot of excitement and expectation worldwide, and it became a hot topic in the medical ultrasound community. Unfortunately, this technique is not yet clinically approved because it is still in development stages and presents many challenges that must be solved before translating it into clinics. The mainly limitations to overcome before translating ULM into clinics are the following: contrast-to-tissue ratio (CTR), signal-to-noise ratio (SNR), acquisition time, microbubble concentration, motion, lack of a gold standard, data overdose, exploitation of ultrafast scanner uncommon in the clinic and so on. Therefore, the aim of this study is to optimize the technique to localize microbubbles, and to explore the physics of microbubble to provide a change in the paradigm of the processes to produce ULM by combining the superresolution processing with a controlled exterior force impulse. To achieve this aim, first a numerical study will be performed to simulate microbubbles into small vessels and find a better way to localize them. The robustness of the algorithm will be increased to consider the non-linear interactions between MB and US and to consider the parabolic velocity profile of the vessel/tube. Up to date, the studies on microbubbles localization in ULM are after the image acquisition. There are no tissue/flow simulations of the behavior of microbubbles into the vessels with this technique. To perform the simulation, we will use a computer with excellent storage capacity and great velocity of processing together with the MATLAB algorithm: The Full Wave Solver. Second, an experimental study will be performed to generate super resolution images in a conventional phantom. The state of art will be applied with a phantom made by microtubes and microbubbles and then, the improvement of the aim 1 will be considered into this experiment. The complexity of the phantom will be increased from a medium with only water, then gelatine and finally, we will add some respiratory simulated movement. To the experimental setup we will use the Verasonics Vantage 128 research ultrasound scanner with different types of ultrasound transducers, microbubbles, microtubes, gelatine and the respiratory movement will be simulated with a vibration testing system (Shaker VTS-100). Finally, the physics of microbubble will be explored to provide a change in the paradigm of the processes to produce ULM and to detect the MB in a more direct way, without the need to perform a filter, like the signal value decomposition (SVD). We want to apply the an external know push pulse that will produce differences in the shear waves between the microbubbles and the tissue around and with simulations we will be able to know the response of microbubbles and it may help us to separate them from the tissue. Expected results: As result of this study, we expect to develop a numerical simulation to the ULM method, by considering interactions of the US with the tissue and fluid dynamics of the blood into the vessel and significantly optimize the techniques of MB detection. Besides that, this project will help to improve the first fully programmable ultrasound scanner system in Chile. Potentially, this would open new research areas at the country level, such as ultrasound imaging, ultrasound super-resolution imaging and soft tissue characterization.

El desarrollo de herramientas para el an ́alisis de funciones vitales a trav ́es de im ́agenes representa un campo de creciente inter ́es, especialmente para el estudio de marcadores tempranos de diversas patolog ́ıas, as ́ı como el desarrollo de aplicaciones diagn ́osticas a mediano plazo. En este contexto, el an ́alisis de la funci ́on vascular, a lo largo del ciclo vital, continua siendo un ́area con un alta demanda de nuevas tecnolog ́ıas, debido a su gran impacto a nivel de salud en la poblaci ́on. Esta propuesta busca generar una l ́ınea de investigaci ́on actualmente casi inexistente en Chile, las im ́agenes ultras ́onicas m ́edicas. En particular, nos gustar ́ıa introducir en Chile una t ́ecnica recientemente propuesta, denominada microscop ́ıa de localizaci ́on por ultrasonido (ULM), tambi ́en conocida como im ́agenes de su ́per- resoluci ́on. Esta t ́ecnica puede crear im ́agenes del sistema circulatoria con una resoluci ́on nunca antes vista, lo que permite visualizar vasos sangu ́ıneos de hasta 5μm. As ́ı, nuestra propuesta posee dos grandes objetivos. El primero es Optimizar y robusteces los procesos involucrados en el desarrollo de las im ́agenes de su ́per-resoluci ́on ultras ́onicas, esto a trav ́es de Optimizar los par ́ametros de adquisici ́on de datos y de procesamiento con el fin de robustecer la generaci ́on de este tipo de im ́agenes. Nuestro segundo objetivo es generar im ́agenes de su ́per- resoluci ́on de la red vascular interna de placenta humana ex-vivo y a buscar candidatos a marcadores a partir de estas im ́agenes.
La ecograf ́ıa convencional es ampliamente usada en Chile y el mundo. Es preferida entre otras modalidades de im ́agenes (MRI, PET, TC) debido a su portabilidad, bajo costo, naturaleza no invasiva y a que utiliza radiaci ́on no ionizante, especialmente en condiciones como el embarazo, o en pacientes con manejo farmacol ́ogico complejo, entre otras. Recientemente, se han desarrollado nuevas modalidades de im ́agenes ultras ́onicas, propiciadas por la mejora en la industria de los semiconductores, lo que ha permitido un incremento en la capacidad de computo de los esc ́aneres ultraso ́nicos y en el nu ́mero de elementos piezoel ́ectrico de los transductores ultras ́onicos, generando un aumento significativo en la versatilidad y calidad de estas tecnolog ́ıas. Dentro de estas nuevas t ́ecnicas encontramos la microscop ́ıa de localizaci ́on por ultrasonido (ULM) o su ́per-resoluci ́on ultras ́onica. Esta revolucionaria t ́ecnica es capaz de superar el l ́ımite de difracci ́on y producir una resoluci ́on diez veces mayor en comparaci ́on con la ecograf ́ıa convencional. Puede ser usada para producir ima ́genes vasculares con una resoluci ́on sin precedentes de hasta 5 μm permitiendo as ́ı la visualizaci ́on de vasos sangu ́ıneos microsc ́opicos que hasta ahora no pueden ser vistos por ninguna t ́ecnica disponible cl ́ınicamente. ULM utiliza microburbujas (MBs) de gas (1 μm de di ́ametro) que actu ́an como fuentes acu ́sticas estoc ́asticas. Las MBs se inyectan en el torrente sangu ́ıneo y fluyen dentro del sistema circulatorio, donde aparecen y desaparecen de la regi ́on de inter ́es, lo que permite su localizaci ́on. Luego, la imagen de su ́per-resoluci ́on se construye a partir de la acumulaci ́on de cientos de miles de MBs localizadas.
Actualmente, la mayor parte de la investigaci ́on en ULM se realiza desde el punto de vista de las ciencias de la ingenier ́ıa, que deja a veces a la ciencia fundamental como un aspecto secundario. Nuestro equipo, debido al car ́acter transdisciplinario de esta propuesta, esta constituido por investigadores de el ́area de la ingenier ́ıa, f ́ısica, biomedicina y matem ́aticas. Basados en las fortalezas de este equipo, proponemos estudiar esta tecnolog ́ıa desde la perspectiva de la ciencia fundamental, buscando limitaciones en ella, y estableciendo los mecanismos fisiol ́ogicos que se manifiestan a nivel de las im ́agenes de su ́per-resoluci ́on, permitiendo superar sus actuales limitaciones y potenciando su posible aplicaci ́on en el ́area m ́edica. En este contexto buscaremos como segundo objetivo el visualizar la microvasculatura de muestras de placenta ex-vivo, las que ser ́an donadas voluntariamente por pacientes del hospital regional de Rancagua, y complementar estas observaciones con par ́ametros funcionales y moleculares, con el fin de modelar desde distintas perspectivas nuevos marcadores de funci ́on vascular.
Usualmente para lograr el avance en le desarrollo de este tipo de t ́ecnicas, se requieren condiciones experimentales altamente controlables, las que se logran utilizando sistemas que imitan el tejido en cuesti ́on, el que en nuestro caso es el sistema vascular. Para esto, se utilizan mayormente experimentos in-vitro fabricados a partir de microtubos de 50−150 μm de di ́ametro interno. Sin embargo, existe una gran diferencia entre las propiedades de este tipo de sistemas y las propiedades acu ́sticas de tejido in-vivo humano. Lo que requiere una gran cantidad de iteraciones experimentales retazando el desarrollo. As ́ı, al utilizar tejido humano ex-vivo pretendemos aumentar significativamente la velocidad de la curva de aprendizaje y por consiguiente lograr im ́agenes de su ́per-resoluci ́on humano compatibles dentro de la duraci ́on de esta propuesta. As ́ı mismo, el desarrollo de esta propuesta en un modelo vascular como la placenta humana representa un clara oportunidad para aportar en un ́area actualmente limitada en su capacidad diagn ́ostica, lo que restringe la aplicaci ́on de intervenciones efectivas durante el embarazo, con consecuencias en la salud de la madre y su progenie.
Como proyecciones de este esquema colaborativo esperamos tener acceso a par ́ametros biol ́ogicos con los cuales generar nuevas formas de diagn ́ostico de alta precisi ́on, en especial a nivel de las estructuras involucradas, en primera instancia, con el desarrollo de alteraciones vasculares (i.e. vasos de pequen ̃o calibre). Con ello buscamos desarrollar un tecnolog ́ıa con base cient ́ıfica a trav ́es de la cual ser ́a posible obtener indicadores de mayor sensibilidad y especificidad para variadas condiciones, enfermedades o s ́ındromes, relacionados con la funci ́on vascular.