Microscopía fotoacústica

La microscopía fotoacústica es un método de imagen basado en el efecto fotoacústico y es un subconjunto de la tomografía fotoacústica . La microscopía fotoacústica aprovecha el aumento de temperatura local que se produce como resultado de la absorción de luz en el tejido. Mediante un haz láser pulsado de nanosegundos, los tejidos experimentan una expansión termoelástica, lo que da lugar a la liberación de una onda acústica de banda ancha que puede detectarse mediante un transductor de ultrasonido de alta frecuencia . ^{[ 1 ]} Dado que la dispersión ultrasónica en el tejido es más débil que la dispersión óptica, la microscopía fotoacústica es capaz de obtener imágenes de alta resolución a mayores profundidades que los métodos de microscopía convencionales. Además, la microscopía fotoacústica es especialmente útil en el campo de la imagen biomédica debido a su escalabilidad. Ajustando los focos óptico y acústico, se puede optimizar la resolución lateral para la profundidad de imagen deseada. ^{[ 2 ]}

El objetivo de la microscopía fotoacústica es encontrar el aumento de presión local.${\displaystyle p_{0}}$, que puede utilizarse para calcular el coeficiente de absorción${\displaystyle \mu _{a}}$Según la fórmula:

${\displaystyle p_{0}=\Gamma \eta _{th}\mu _{a}F,}$

dónde${\displaystyle \eta _{th}}$es el porcentaje de luz convertida en calor,${\displaystyle F}$es la fluencia óptica local (J/cm² ⁾ y el parámetro de Grüneisen adimensional${\displaystyle \Gamma }$se define como:

${\displaystyle \Gamma ={\frac {\beta }{\kappa \rho C_{V}}},}$

dónde${\displaystyle \beta }$es el coeficiente térmico de expansión volumétrica (K ⁻¹ ),${\displaystyle \kappa }$es la compresibilidad isotérmica (Pa ⁻¹ ), y${\displaystyle \rho }$es la densidad (kg/m³ ⁾ . ^{[ 3 ]}

Tras el aumento inicial de presión, una onda fotoacústica se propaga a la velocidad del sonido dentro del medio y puede detectarse con un transductor de ultrasonido.

Una de las principales ventajas de la microscopía fotoacústica es la sencillez de la reconstrucción de imágenes. Un pulso láser excita el tejido en dirección axial y las ondas fotoacústicas resultantes son detectadas por un transductor de ultrasonido . El transductor convierte la energía mecánica en una señal de voltaje que puede ser leída por un convertidor analógico-digital para su posterior procesamiento. Como resultado de cada pulso láser, se forma una imagen unidimensional, conocida como línea A. La transformada de Hilbert de una línea A revela información codificada en profundidad. Posteriormente, se puede formar una imagen fotoacústica 3D combinando múltiples líneas A producidas mediante escaneo raster 2D. ^{[ 3 ]}

En las modalidades de imagen fotoacústica, incluida la microscopía fotoacústica, el contraste se basa en la excitación de fotones y, por lo tanto, está determinado por las propiedades ópticas del tejido. Cuando un electrón absorbe un fotón, pasa a un estado de energía superior. Al regresar a un nivel de energía inferior , el electrón experimenta relajación radiativa o no radiativa. Durante la relajación radiativa, el electrón libera energía en forma de fotón. Por otro lado, un electrón que experimenta relajación no radiativa libera energía en forma de calor. El calor induce un aumento de presión que se propaga como una onda fotoacústica. Debido a que casi todas las moléculas son capaces de relajación no radiativa, la microscopía fotoacústica tiene el potencial de obtener imágenes de una amplia gama de agentes endógenos y exógenos. Por el contrario, menos moléculas son capaces de relajación radiativa, lo que limita las técnicas de microscopía de fluorescencia, como la microscopía de un fotón y la de dos fotones . ^{[ 3 ]} La investigación actual en microscopía fotoacústica aprovecha agentes de contraste tanto endógenos como exógenos para obtener información funcional sobre el cuerpo, desde los niveles de saturación de sangre hasta la tasa de proliferación del cáncer.

Agentes de contraste endógenos

Los agentes de contraste endógenos, moléculas presentes de forma natural en el organismo, son útiles en la microscopía fotoacústica debido a que pueden visualizarse de forma no invasiva. Además, los agentes endógenos no son tóxicos y no alteran las propiedades del tejido estudiado. En particular, los absorbentes endógenos pueden clasificarse según sus longitudes de onda de absorción. ^{[ 2 ]}

Absorbedores de rayos ultravioleta

Dentro del rango de luz ultravioleta (λ = 180 a 400  nm), el principal absorbente en el cuerpo es el ADN y el ARN . Mediante la microscopía fotoacústica ultravioleta, se puede obtener imagen del ADN y el ARN en los núcleos celulares sin necesidad de marcaje con fluorescencia. Dado que el cáncer está asociado con fallos en la replicación del ADN , la microscopía fotoacústica UV tiene el potencial de utilizarse para la detección temprana del cáncer. ^{[ 5 ]}

Absorbedores de luz visible

Los absorbentes de luz visible (λ = 400 a 700  nm) incluyen la oxihemoglobina , la desoxihemoglobina , la melanina y el citocromo c . La microscopía fotoacústica de luz visible es particularmente útil para determinar la concentración de hemoglobina y la saturación de oxígeno debido a la diferencia en los perfiles de absorción de la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina. El análisis en tiempo real puede utilizarse para determinar la velocidad del flujo sanguíneo y la tasa de metabolismo del oxígeno. ^{[ 3 ]} Además, la microscopía fotoacústica permite la detección temprana del melanoma debido a la alta concentración de melanina que se encuentra en las células cancerosas de la piel.

Absorbedores de infrarrojo cercano

Los absorbentes de infrarrojo cercano (λ = 700 a 1400  nm) incluyen agua, lípidos y glucosa. La determinación fotoacústica de los niveles de glucosa en sangre puede utilizarse para el tratamiento de la diabetes, mientras que el estudio de las concentraciones de lípidos en los vasos sanguíneos es importante para monitorizar la progresión de la aterosclerosis . ^{[ 2 ]} Todavía es posible cuantificar y comparar las concentraciones de desoxihemoglobina y hemoglobina a esta longitud de onda, sacrificando una mayor penetración en los tejidos a cambio de una menor absorción. ^{[ 6 ]}

La microscopía fotoacústica logra una mayor penetración que la microscopía convencional gracias a la detección ultrasónica. Como resultado, la resolución axial se define acústicamente y se determina mediante la fórmula:

${\displaystyle R_{axial}=0.88{\frac {\nu _{A}}{\Delta f_{A}}},}$

dónde${\displaystyle \nu _{A}}$es la velocidad del sonido en el medio y${\displaystyle \Delta f_{A}}$es el ancho de banda de la señal fotoacústica. La resolución axial del sistema se puede mejorar utilizando un transductor de ultrasonido de mayor ancho de banda, siempre que este coincida con el de la señal fotoacústica. La resolución lateral de la microscopía fotoacústica depende de los focos óptico y acústico del sistema. La microscopía fotoacústica de resolución óptica (OR-PAM) utiliza un foco óptico más estrecho que el foco acústico, mientras que la microscopía fotoacústica de resolución acústica (AR-PAM) utiliza un foco acústico más estrecho que el foco óptico. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Al ignorar la luz balística , la microscopía fotoacústica confocal de campo oscuro reduce la señal de superficie. Este método utiliza un láser pulsado de campo oscuro y detección ultrasónica de alta apertura numérica (NA), con el extremo de salida de la fibra alineado coaxialmente con el transductor de ultrasonido enfocado. La filtración de la luz balística se basa en la forma alterada del haz láser de excitación en lugar de un disco opaco, como se usa en la microscopía de campo oscuro convencional . La técnica de reconstrucción general se utiliza para convertir la señal fotoacústica en una línea A, y las imágenes de la línea B se producen mediante barrido raster. ^{[ 4 ]}

La microscopía fotoacústica tiene una amplia gama de aplicaciones en el campo biomédico. Gracias a su capacidad para obtener imágenes de diversas moléculas en función de la longitud de onda óptica, permite obtener información funcional del organismo de forma no invasiva. Se pueden medir la dinámica del flujo sanguíneo y las tasas metabólicas de oxígeno, y correlacionarlas con estudios de aterosclerosis o proliferación tumoral . Se pueden utilizar agentes exógenos para unirse al tejido canceroso, mejorando el contraste de la imagen y facilitando la extirpación quirúrgica. Asimismo, la microscopía fotoacústica resulta útil en el diagnóstico precoz del cáncer debido a la diferencia en las propiedades de absorción óptica en comparación con el tejido sano. ^{[ 1 ]}

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