Resumen
El presente trabajo propone el desarrollo y validación de una metodología de estimación térmica no invasiva, basada en ultrasonido de alta resolución, para la detección temprana de alteraciones fisiológicas asociadas a lesiones mamarias. En particular, se propone un enfoque diagnóstico que permite identificar gradientes térmicos internos del orden de 0.5 °C, los cuales son indicativos de procesos como la angiogénesis tumoral en etapas incipientes del cáncer de mama.
Se diseñaron phantoms multicapa con propiedades acústicas y térmicas representativas de los tejidos mamarios (grasa, glándula y tumor), y se controlaron experimentalmente las condiciones térmicas en rangos clínicamente relevantes. Se implementó un sistema de inspección ultrasónica de precisión, compuesto por tina termostática, transductor ultrasónico, pulser-receptor, osciloscopio digital y sensores térmicos tipo K, asegurando alta estabilidad y reproducibilidad de las mediciones.
El análisis de las señales ultrasónicas se realizó mediante técnicas robustas de procesamiento digital, como la correlación cruzada y el análisis de cambio de fase en el dominio de la frecuencia, permitiendo detectar desplazamientos acústicos mínimos causados por variaciones térmicas locales. Complementariamente, se desarrollaron modelos computacionales en COMSOL Multiphysics® para simular la propagación acústica y la transferencia de calor en geometrías equivalentes a los phantoms, fortaleciendo la validación de los resultados experimentales.
Los hallazgos demuestran que el método propuesto permite estimar con precisión la distribución espacial de temperaturas en profundidad, superando las limitaciones de técnicas convencionales como la termografía infrarroja, la PEM o la resonancia magnética, en términos de costo, accesibilidad y resolución térmica localizada.
En conjunto, este trabajo constituye una contribución metodológica y experimental significativa hacia el desarrollo de técnicas de diagnóstico temprano basadas en ultrasonido, y abre la puerta a futuras aplicaciones clínicas en la detección precoz del cáncer de mama, sin necesidad de radiación ionizante ni procedimientos invasivos.
Abstract
The present work proposes the development and validation of a non-invasive thermal estimation methodology based on high-resolution ultrasound for the early detection of physiological alterations associated with breast lesions. Specifically, it introduces a diagnostic approach capable of identifying internal thermal gradients on the order of 0.5 °C, which are indicative of processes such as tumor-induced angiogenesis in the early stages of breast cancer.
Multilayer phantoms were designed with thermo-acoustic properties representative of breast tissues (adipose, glandular, and tumoral), and thermal conditions were experimentally controlled within clinically relevant ranges. A precision ultrasonic inspection system was implemented, comprising a thermostatic water bath, ultrasonic transducer, pulser-receiver, digital oscilloscope, and K-type thermal sensors, ensuring high measurement stability and reproducibility.
Ultrasonic signal analysis was performed using robust digital processing techniques, such as cross-correlation and phase-shift analysis in the frequency domain, enabling the detection of minimal acoustic displacements induced by local thermal variations. Additionally, computational models were developed in COMSOL Multiphysics® to simulate acoustic wave propagation and heat transfer in phantom-equivalent geometries, enhancing the validation of the experimental results.
Findings demonstrate that the proposed method enables precise estimation of the spatial distribution of temperature in depth, overcoming limitations of conventional techniques such as infrared thermography, positron emission mammography (PEM), or magnetic resonance imaging (MRI), in terms of cost, accessibility, and localized thermal resolution.
Overall, this work represents a significant methodological and experimental contribution toward the development of ultrasound-based early diagnostic techniques and paves the way for future clinical applications in the early detection of breast cancer, without the need for ionizing radiation or invasive procedures.
