La Unidad Radiofarmacia-Ciclotrón (URC) de la Facultad de Medicina de la UNAM es una Unidad Mixta de Servicio, Investigación y Docencia enfocada en la producción de radionúclidos emisores de positrones vía ciclotrón y de radiofármacos para Tomografía por Emisión de Positrones (PET). Además del ciclotrón y el laboratorio de radiofarmacia la Unidad cuenta con un Laboratorio de Imagen Preclínica equipada con un microPET, donde se realizan los estudios preclínicos de radiofármacos en modelos murinos de enfermedades humanas. Junto a la URC se encuentra la Unidad PET/CT donde se realizan estudios clínicos en pacientes, principalmente oncológicos. Los temas de tesis que se pueden desarrollar en la URC pueden ser desde la producción de radionúclidos en el ciclotrón hasta el análisis cuantitativo de imágenes, cubriendo aspectos de radiofarmacia, estudios preclínicos y dosimetría interna, de tal manera que el estudiante tenga el panorama completo de la imagen molecular PET desde una perspectiva de la Física Médica.

La mamografía es la única herramienta validada para la lograr la detección temprana del cáncer de mama. Sin embargo, esta herramienta sólo es útil en el caso de que las imágenes cumplan con estándares de calidad muy altos. Evaluar la calidad de una imagen es un reto que usualmente involucra obtener imágenes de objetos de control (maniquís) que permiten hacer evaluaciones cualitativas. Es justo el hecho de que las evaluaciones sean cualitativas lo que hace que algunos análisis sean débiles y sujetos a la experiencia e interpretación del evaluador. Una opción es sustituir estas evaluaciones por métodos cuantitativos como la MTF, el NPS y la DQE, lo cuales no dependen del juicio del evaluador. Sin embargo, en muchos de los protocolos de control se menciona que dichas evaluaciones cuantitativas son muy difíciles de realizar y se desaconseja su uso. Para superar este inconveniente es necesario simplificar la forma en que se evalúan estas pruebas a fin de que su utilización sea más generalizada en el control de calidad en mamografía. Esto requiere que lo complejo de los análisis y la forma de evaluar sea resueltos con ingenio por parte de la rama académica de la Física Médica. Este proyecto tienen por objetivo el desarrollo e implementación de una herramienta computacional que simplifique la evaluación de estas pruebas para que cualquier usuario pueda realizarlas sin las necesidad de entender toda la complejidad que conllevan las pruebas. El alumno que desarrolle este proyecto podrá profundizar en la física detrás de la imagen mamográfica así como lo aspectos teóricos de la evaluación de calidad de imágenes digitales. Este trabajo también permitirá un acercamiento al uso y la evaluación de mastógrafos clínicos en México.

La tomografía computarizada de haz cónico (CBCT) es una modalidad de imagen ampliamente usada en radioterapia guiada por imagen para optimizar la precisión y exactitud en la impartición de tratamientos. Uno de los factores que afectan en mayor medida la calidad de las imágenes de CBCT es la radiación dispersada. En un proyecto reciente hemos desarrollado un modelo numérico de los equipos CBCT de kilo- y megavoltaje montados en un acelerador lineal Varian TrueBeam STx, usando cálculos de Monte Carlo. A partir de estos modelos se implementó un método iterativo de corrección por radiación dispersada que incluye la reproyección de las imágenes tomográficas usando datos submuestreados angular y espacialmente para calcular los factores de corrección. El método converge rápidamente y produce imágenes prácticamente libres de artefactos en dos o tres iteraciones. Sin embargo, el algoritmo es computacionalmente muy demandante y los tiempos de cálculo son demasiado largos para su implementación en un ambiente clínico. En este proyecto se propone desarrollar un método de corrección por dispersión basado en redes neuronales convolucionales (CNN), aprovechando las simulaciones Monte Carlo para generar las bases de datos de entrenamiento de la red. El estudiante aprenderá sobre: a) las bases físicas de la CBCT y los artefactos relacionados con la radiación dispersada, b) el uso de métodos Monte Carlo de transporte de radiación en materia para la generación de imágenes médicas y su uso en radioterapia, c) métodos iterativos de reconstrucción y corrección por radiación dispersada, d) diseño y optimización de redes neuronales convolucionales, usando diferentes arquitecturas, para aplicaciones de interés en física médica.

En el departamento de Resonancia magnética del hospital Angeles Lomas tenemos varios proyectos de tesis disponibles que involucran el post procesamiento de imágenes médicas. Algunos de los proyectos son: la medición de variables relacionadas con el tensor de difusión en la sustancia blanca de pacientes con esclerosis múltiple, con el objetivo de dar un pronóstico de la enfermedad y la posibilidad de analizar el uso de tratamiento temprano para retrasar su desarrollo, así como predecir el desarrollo de nuevas lesiones; otro proyecto es el desarrollo de métodos cuantitativos y semi cuantitativos de la dinámica del medio de contraste aplicado a pacientes que se someten a resonancias de mama o de próstata y relacionarlo con el grado de angiogénesis, el desarrollo de tumores y en general con la clasificación de patologías. En todos los proyectos se contaría con la participación de médicos especialistas, así como con la posibilidad del acceso a los dos resonadores con los que cuenta el servicio, lo cual permitiría concretar las tesis en tiempo y forma y la posibilidad del desarrollo de publicaciones. Es deseable que los alumnos tengan conocimientos básicos de programación.

En este proyecto se diseñará y construirá un topógrafo corneal que utiliza un smartphone para captura de imágenes, alienación del sistema óptico de prueba y evaluación de la topografía corneal. El topógrafo corneal utiliza una pantalla nula con un patrón de manchas semi radial; la pantalla nula es reflejada por la córnea humana y esta imagen se captura con la cámara de un dispositivo móvil, posteriormente el patrón de puntos es digitalizado para obtener la topografía corneal. Primero, se deberá integrar el sistema para calibrarlo probando una superficie de referencia donde obtenemos parámetros ópticos como el radio de curvatura y la constante cónica, así como mapas de elevación, curvas sagitales y curvatura meridional con este método. Finalmente, se medirán algunas córneas y comparamos los resultados con los obtenidos por un topógrafo corneal comercial que forman parte del Laboratorio Nacional de Óptica de la Visión.

El musculo esquelético es el compartimiento más grande del cuerpo humano representado el 60% del peso de un individuo. Este se encarga de realizar funciones mecánicas y estructurales las cuales van a cambiar dependiendo de la edad, género y patología del individuo. El medir la masa muscular, composición, antropometría, fuerza desarrollada son de suma importancia para poder hacer una buena evaluación clínica y un monitoreo temporal en especial en casos de lesiones musculares, sarcopenia, obesidad sarcopenica, entre otros usando RMN, CT, DEXA o dinamometros. En el Laboratorio de Mecanobiología del musculo de la Facultad de Ciencias, UNAM contamos con un equipo DEXA y microCT que permitirán generar imágenes para el estudio de patologías en modelos animales. En específico, para el microCT se necesita el uso de medios de contraste para la visualización de tejidos blandos correlacionando la radiodensidad en unidades Hounsfield. Los temas de tesis empiezan desde la dosimetría del microCT y del densitómetro hasta la validación de un modelo animal patológico pasando por técnicas imagenologicas, histológicas, de microscopía, bioquímicas y de biología celular. http://mecanobiologiafciencias.mex.tl/

I) Como parte del proyecto CONACyT Ciencia de Frontera 1311307 Imágenes radiológicas cuantitativas para la caracterización no invasiva del cáncer de mama, se quieren desarrollar técnicas basadas en ultrasonido médico para obtener descriptores físicos de las propiedades estructurales y funcionales tumorales con base en las diferencias de propiedades acústicas del tejido mamario sano, las lesiones benignas y cáncer. Este proyecto consiste en la modelación de los coeficientes de retro dispersión acústica utilizando teorías de homogenización, complementado con mediciones ultrasónicas realizadas tanto en maniquíes como en pacientes. Las habilidades que se espera que el estudiante adquiera son: conocimientos fundamentales de acústica y sus aplicaciones en ultrasonido médico, entendimiento de la modelación de la propagación de ultrasonido en tejido mamario, uso y calibración de equipo de ultrasonido médico. 2) Desarrollo de pruebas cuantitativas de control de calidad en ultrasonido médico. El Laboratorio de Ultrasonido Médico desarrolla pruebas cuantitativas de evaluación de desempeño de equipos de ultrasonido. Estas pruebas se aplican a equipos de hospitales del área metropolitana de la Ciudad de México. Al participar en este proyecto, la/el estudiante desarrollará habilidades técnicas relacionadas con la operación de equipos de ultrasonido médico y de análisis de imágenes, además de habilidades de comunicación transdisciplinaria al interactuar con personal médico.

La definición y los problemas asociados a los campos no convencionales de radiación han sido ampliamente discutidos en la literatura, esto en base a consideraciones de energía del haz y densidad del medio entre los cuales destacan: la perturbación del haz de radiación, la falta de equilibrio lateral de partícula cargada, las penumbras pronunciadas, la sobrestimación del tamaño de campo y los altosgradientes de dosis, entre otros. Es por ello, que en el año 2017 el Organismo Internacional de energía Atómica (OIEA) y la Asociación Americana de Físicos en Medicina (AAPM) publicaron un nuevo formalismo TRS 483 para la caracterización de haces estáticos de radiación. En este trabajo se evaluará el impacto del uso del formalismo 483 por medio de la medición de la dosis impartida con un acelerador lineal TrueBeam STx mediante dosímetros de luminiscentes OSLD para diferentes tamaños de campo no convencionales de radiación. Aunado a ello, la dosis medidas serán comparadas con las obtenidas por el sistema de planeación. Dando con ello, pie para establecer una metodología para realizar una futura auditoria para campos no convencionales de radiación. Este trabajo forma parte de la segunda etapa de un proyecto avalado por CONACYT.

La regulación de la función cardiorespiratoria es de gran sensibilidad ante las perturbaciones o demandas siempre cambiantes que enfrenta una persona. Más aun para un organismo enfermo que hace ajustes compensatorios para lograr mejores condiciones de sobrevida. En nuestro grupo de trabajo hemos realizado estudios preliminares de la correlación entre la variabilidad de la frecuencia cardiaca y la frecuencia respiratoria usando análisis espectral (FFT) y algunos métodos no lineales. En el último caso hemos usado el análisis cuantitativo de las Gráficas de Recurrencias. Sabemos que estas variables nos permiten asociar sus cambios a variaciones en la regulación del Sistema Nervioso Autónomo y sus dos ramas conocidas, Simpática y Parasimpática. Ahora proponemos extender el análisis a las diagonales de las mismas gráficas de recurrencias buscando alguna direccionalidad en las correlaciones, tanto en personas sanas o como en enfermos renales. Sabemos que estos métodos son sensibles a pequeñas alteraciones en los sistemas biológicos, buscamos que la sensibilidad encontrada pueda usarse para proponer intervenciones terapéuticas o profilácticas que ayuden a mejorar las condiciones de salud de las personas sanas y pacientes.

Objetivo: Procesar y analizar imágenes tridimensionales de resonancia magnética del cerebro de sujetos adultos e infantiles, para caracterizar condiciones de interés. Hemos desarrollado herramientas para extraer descriptores de los surcos de las circunvoluciones que cambian entre individuos y cuya morfología es afectada por condiciones patológicas, la edad, o por consumo de drogas, etc. Métodos: Diseñar nuevos descriptores de rasgos de forma, en base a los existentes (o mejoras), basándose principalmente en procesamiento mediante Morfología Matemática. Realizar visualización de la distribución de los descriptores en estructuras del cerebro y su análisis estadístico. La validación la hemos realizado mediante maniquíes computacionales de geometrías que modelan variaciones de interés, extrayendo los descriptores desarrollados por otros tesistas y los nuevos. Existe un análisis teórico de lo que se debe obtener del maniquí geométrico para cotejar con lo obtenido de los algoritmos. Usamos plataformas de dominio público para la mayoría del procesamiento, análisis y visualización. Otra información de interés: colaboraciones con el Instituto de Neurobiología (UNAM-Juriquilla),el Instituto de Matemáticas Aplicadas y Sistemas de la UNAM.

El propósito de este proyecto es desarrollar modelos de las redes de señalización bioquímica centrales en el desarrollo de enfermedades con origen inflamatorio crónico. En esta categoría se incluyen enfermedades tales como el síndrome metabólico, la diabetes tipo 2, distintos tipos de cáncer, afecciones cardiovasculares y el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Dichas enfermedades involucran componentes de tipo genético, metabólico, inmunológico y ambiental, entre otros, por lo que su estudio integral puede realizarse en términos de redes reguladoras complejas conformadas por elementos activadores como antígenos, citocinas, nutrientes u hormonas, así como por elementos que detectan y traducen las señales bioquímicas necesarias para las respuestas funcionales de las células, como receptores, cascadas de señalización, factores de transcripción y genes. En este contexto, se proponen modelos matemáticos basados en redes reguladoras complejas para la descripción de vías de señalización celular que son centrales en la descripción de este tipo de enfermedades. En este enfoque, las relaciones entre los componentes de la red reguladora se describen mediante algoritmos matemáticos, los cuales se basan en proposiciones lógicas elaboradas a partir de datos experimentales y de la literatura biomédica, y que se traducen a sistemas de ecuaciones booleanas, o bien a sistemas de ecuaciones diferenciales. Las soluciones de estas ecuaciones permiten dilucidar la dinámica temporal de la actividad de la red hasta alcanzar estados de equilibrio finales. El análisis de estas soluciones permite investigar alteraciones y adaptaciones de las funciones celulares derivadas de cambios en los estados de equilibrio de la red en respuesta a modificaciones de las condiciones iniciales, las cuales representan cambios en los estímulos activadores. El desarrollo de modelos que reproduzcan eventos biológicos también permite identificar nodos clave que definen de forma relevante la dinámica del sistema, o bien definir módulos funcionales. De esta manera, aportando propuestas que permiten entender la dinámica celular, los modelos pueden apoyar la investigación experimenal en la búsqueda de métodos preventivos o terapias. Referencias 1. Type 2 diabetes progression: A regulatory network approach, María Barrera, Marcia Hiriart, Germinal Cocho, Carlos Villarreal, Chaos 30, 093132(2020). 2. An Integrative Network Modeling Approach to T CD4 Cell Activation, David Martínez-Méndez, Carlos Villarreal, Luis Mendoza, Leonor Huerta, Frontiers in Physiology 11, 380(2020), doi:10.3389/fphys.2020.00380 3. From Discrete to Continuous Modeling of Lymphocyte Development and Plasticity in Chronic Diseases, Jennifer Enciso, Rosana Pelayo, Carlos Villarreal, Frontiers in Immunology, doi.org/10.3389/fimmu.2019.01927(2019). 4. Role of cytokine combinations on CD4+ T cell differentiation, partial polarization, and plasticity: continuous network modeling approach, Mariana E. Martinez-Sanchez, Leonor Huerta, Elena R. Alvarez-Buylla, Carlos Villarreal Lujan, Frontiers in Physiology 9, 877 (2018).

La estimación de la dosis impartida por los sistemas de planeación de tratamiento en las técnicas modernas de radioterapia requiere de un control estricto con el fin de evitar la exposición innecesaria de los órganos vitales sanos adyacentes al tejido blanco. Pero, debido a la presencia de altos gradientes de dosis, se requiere de dosímetros de alta resolución espacial para asegurar que la dosis entregada al paciente será la correcta. Hoy en día, la dosimetría de gel es la técnica más avanzada que permite verificar la dosis a paciente en 3-dimension y de manera precisa gracias a su propiedad de tejido equivalente y su alta resolución espacial. En este proyecto, se usará BANG gel asociado con un tomógrafo óptico computarizado para determinar la dosis entregada al paciente durante el tratamiento de radioterapia de cerebro completo cuidando la región del hipocampo. Este trabajo se realizará en el Hospital Médica Sur en colaboración con la Dra. Adela Poitevin y el Maestro Alejandro Rodríguez Laguna

La imagen por resonancia magnética (IRM) permite estudiar tanto la estructura como la actividad cerebral. En nuestro grupo usamos esta información para modelar el cerebro como un conjunto de elementos que interactúan entre sí (a partir de patrones de coactivación), con el fin de caracterizar la organización funcional cerebral, su asociación con la emergencia de conductas complejas, su desarrollo ontogénico y su alteración en diversos trastornos de la salud. Para ello, hacemos uso de herramientas de teoría de gráficas, análisis topológico de datos, y estadística de redes, así como evaluaciones conductuales y clinimétricas. Actualmente, hay oportunidad de integrarse a nuestro grupo en una variedad de proyectos que utilizan estas estrategias, con la posibilidad de realizar trabajo a distancia analizando datos ya aqduiridos. Se requiere el manejo de estructuras de datos multidimensionales, usando Matlab, R, o python, conocimiento del intérprete bash y linux. Se requiere entendimiento básico de estadística aplicada, para realizar análisis estadísticos multivariados, pero esta experiencia se puede ampliar durante el desarrollo del proyecto. Se aprenderán estrategias de análisis de imagen por resonancia magnética (y si las condiciones lo permiten, de adquisición) y se participará en las reuniones y seminarios de nuestro grupo interdisciplinario, que incluye psicólogos, neurobiólogos, médicos y físicos, con oportunidades de colaboración en proyectos de su interés. Contamos con la infraestructura de cómputo suficiente para los proyectos propuestos, pero es necesario que el estudiante cuente con equipo de cómputo para conectarse a nuestra red. Enlace Google-scholar, https://scholar.google.com/citations?user=fAzVWFQAAAAJ&hl=es&authuser=1