Diseño de un dispositivo modular de estimulación ultrasónica transcraneal de baja intensidad para estudios de neuromodulación en ratas Wistar

Abstract

Introducción

La estimulación cerebral por ultrasonido de baja intensidad (LIUS) ha emergido como técnica de neuromodulación no invasiva con ventajas sobre otros métodos, al lograr mayor penetración en estructuras profundas que la estimulación magnética transcraneal y mayor focalización que la estimulación eléctrica, sin inducir daño térmico bajo parámetros controlados. Su aplicación transcraneal en humanos enfrenta retos por la morfología craneal, que genera reflexiones acústicas y absorción energética, reduciendo la potencia en la zona objetivo. Para comprender sus mecanismos y optimizar parámetros de seguridad y eficacia, los modelos murinos son indispensables; sin embargo, la escasez de sistemas para roedores ha obligado a adaptar equipos clínicos, limitando la estandarización y reproducibilidad experimental. Lo anterior motiva el desarrollo de un dispositivo de LIUS adaptable a murinos para investigaciones de neuromodulación transcraneal controlada y reproducible.

Objetivo

Desarrollar un dispositivo modular de ultrasonido terapéutico de baja intensidad, adaptado a ratas Wistar, para estimulación transcraneal con monitoreo de potencia en tiempo real.

Metodología

El dispositivo integra tres subsistemas: un generador de señales programable, un amplificador de potencia con control on-off mediante señal cuadrada y un transductor piezoeléctrico monoelemento plano. El sistema incorpora medición simultánea de voltaje y corriente de salida para calcular la potencia eléctrica entregada al transductor. Los parámetros de diseño incluyen frecuencia de operación de 1 MHz, intensidad acústica de 0−0.5 W/cm², ciclo útil ajustable de 10 a 100 % en pasos de 10 % y frecuencia de repetición del pulso de 10 Hz. La caracterización eléctrica y acústica de los discos piezoeléctricos se realizó con analizador de impedancias, C-scan con hidrófono y balanza de radiación. Paralelamente, se implementó un modelo computacional en COMSOL Multiphysics para estudiar los patrones de vibración de los discos, el campo acústico generado y su propagación a través de un cráneo numérico de rata, con el fin de optimizar la distribución de energía en la corteza motora. Este resumen forma parte del proyecto 16/26 PA y subproyecto 16/26 SP-1. No se requirió consentimiento informado, ya que no participaron humanos.

Resultados

El dispositivo alcanzó una frecuencia central de 1 MHz con coeficiente de reflexión inferior a −15 dB. Los módulos de instrumentación cuantificaron la potencia eléctrica con incertidumbre menor al 5 %. Los modelos computacionales confirman una vibración uniforme con patrones Bessel, capaces de generar el campo acústico requerido. Las simulaciones con cráneo numérico verificaron patrones de radiación intracraneales suficientes para la estimulación prospectada. Las mediciones de campo acústico, impedancia eléctrica y fuerza de radiación fueron congruentes con el campo modelado, validando el procedimiento. Se confirma un campo acústico compatible con la estimulación de regiones corticales superficiales del cráneo murino.

Conclusiones

Se desarrolló una plataforma de estimulación transcraneal por LIUS de diseño modular, con control preciso de parámetros acústicos y monitoreo de potencia en tiempo real, adaptada a modelos murinos. La caracterización acústica y eléctrica permitió verificar que el dispositivo trabaja dentro de los rangos requeridos. Este sistema puede utilizarse en protocolos de neuroestimulación en daño cerebral adquirido, con proyección hacia aplicaciones clínicas en rehabilitación neurológica.