Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Imágenes fotoacústicas

La imagen fotoacústica u optoacústica es una modalidad de imagen biomédica basada en el efecto fotoacústico . Se aplican pulsos láser no ionizantes a los tejidos biológicos, don...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

La imagen fotoacústica u optoacústica es una modalidad de imagen biomédica basada en el efecto fotoacústico . Se aplican pulsos láser no ionizantes a los tejidos biológicos, donde parte de la energía se absorbe y se convierte en calor, lo que produce una expansión termoelástica transitoria y, por consiguiente, una emisión ultrasónica de banda ancha (es decir, del orden de los megahercios) . Las ondas ultrasónicas generadas son detectadas por transductores ultrasónicos y analizadas para producir imágenes. Se sabe que la absorción óptica está estrechamente relacionada con propiedades fisiológicas, como la concentración de hemoglobina y la saturación de oxígeno . [ 1 ] Como resultado, la magnitud de la emisión ultrasónica (es decir, la señal fotoacústica), que es proporcional a la deposición de energía local, revela un contraste de absorción óptica fisiológicamente específico. De esta manera, se pueden formar imágenes 2D o 3D de las áreas objetivo. [ 2 ]

Imágenes biomédicas

Figura 2. Espectros de absorción de la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina.

La absorción óptica en los tejidos biológicos puede deberse a moléculas endógenas como la hemoglobina o la melanina , o a agentes de contraste administrados exógenamente . Como ejemplo, la Fig. 2 muestra los espectros de absorción óptica de la hemoglobina oxigenada (HbO₂ ) y la hemoglobina desoxigenada (Hb) en la región visible e infrarroja cercana. [ 3 ] Dado que la sangre suele tener una absorción mucho mayor que los tejidos circundantes, existe suficiente contraste endógeno para que la imagen fotoacústica permita visualizar los vasos sanguíneos. Estudios recientes han demostrado que la imagen fotoacústica puede utilizarse in vivo para la monitorización de la angiogénesis tumoral , el mapeo de la oxigenación sanguínea , la imagen cerebral funcional, la detección del melanoma cutáneo , la medición de la metahemoglobina , etc. [ 2 ]

Se han desarrollado dos tipos de sistemas de imagen fotoacústica: la tomografía computarizada fotoacústica/termoacústica (también conocida como tomografía fotoacústica/termoacústica, o PAT/TAT) y la microscopía fotoacústica (PAM). Un sistema PAT típico utiliza un detector de ultrasonido no enfocado para adquirir las señales fotoacústicas, y la imagen se reconstruye resolviendo inversamente las ecuaciones fotoacústicas. Un sistema PAM, por otro lado, utiliza un detector de ultrasonido con enfoque esférico y escaneo punto por punto en 2D, y no requiere ningún algoritmo de reconstrucción.

Tomografía computarizada fotoacústica

Ecuación general

Dada la función de calentamientoH(r,t){\displaystyle H({\boldsymbol {r}},t)}la generación y propagación de la presión de ondas fotoacústicaspag(r,t){\displaystyle p({\boldsymbol {r}},t)}en un medio no viscoso acústicamente homogéneo se rige por

∇2pag(r,t)−1vs2∂2∂t2pag(r,t)=−βdopag∂∂tH(r,t)(1),{\displaystyle \nabla ^{2}p({\boldsymbol {r}},t)-{\frac {1}{v_{s}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial {t^{2}}}}p({\boldsymbol {r}},t)=-{\frac {\beta }{C_{p}}}{\frac {\partial }{\partial t}}H({\boldsymbol {r}},t)\qquad \qquad \quad \quad (1),}

dóndevs{\displaystyle v_{s}}es la velocidad del sonido en el medio,β{\displaystyle \beta }es el coeficiente de expansión térmica, ydopag{\displaystyle C_{p}}es la capacidad calorífica específica a presión constante. La ecuación (1) se cumple bajo confinamiento térmico para asegurar que la conducción de calor sea despreciable durante la excitación del pulso láser. El confinamiento térmico ocurre cuando el ancho del pulso láser es mucho menor que el tiempo de relajación térmica. [ 4 ]

La solución directa de la ecuación (1) viene dada por

pag(r,t)=β4πdopag∫dr′|r−r′|∂H(r′,t′)∂t′|t′=t−|r−r′|/vs(2).{\displaystyle \left.p({\boldsymbol {r}},t)={\frac {\beta }{4\pi C_{p}}}\int {\frac {d{\boldsymbol {r}}'}{|{\boldsymbol {r}}-{\boldsymbol {r}}'|}}{\frac {\partial H({\boldsymbol {r}}',t')}{\partial t'}}\right|_{t'=t-|{\boldsymbol {r}}-{\boldsymbol {r}}'|/v_{s}}\qquad \quad \,\,\,\,(2).}

En el confinamiento de tensión, que ocurre cuando el ancho del pulso láser es mucho más corto que el tiempo de relajación de la tensión , [ 4 ] la ecuación (2) se puede derivar aún más como

pag(r,t)=14πvs2∂∂t[1vst∫dr′pag0(r′)δ(t−|r−r′|vs)](3),{\displaystyle p({\boldsymbol {r}},t)={\frac {1}{4\pi v_{s}^{2}}}{\frac {\partial }{\partial t}}\left[{\frac {1}{v_{s}t}}\int d{\boldsymbol {r}}'p_{0}({\boldsymbol {r}}')\delta \left(t-{\frac {|{\boldsymbol {r}}-{\boldsymbol {r}}'|}{v_{s}}}\right)\right]\qquad \,(3),}

dóndepag0{\displaystyle p_{0}}es la presión fotoacústica inicial.

Algoritmo de reconstrucción universal

En un sistema PAT, la presión acústica se detecta escaneando un transductor ultrasónico sobre una superficie que encierra la fuente fotoacústica. Para reconstruir la distribución interna de la fuente, necesitamos resolver el problema inverso de la ecuación (3) (es decir, para obtenerpag0{\displaystyle p_{0}}). Un método representativo aplicado para la reconstrucción PAT se conoce como algoritmo de retroproyección universal. [ 5 ] Este método es adecuado para tres geometrías de imagen: superficies planas, esféricas y cilíndricas.

La fórmula universal de retroproyección es

pag0(r)=∫Ω0dΩ0Ω0[2pag(r,vst)−2vst∂pag(r0,vst)∂(vst)]|t=|r−r0|/vs,(4),{\displaystyle \left.p_{0}({\boldsymbol {r}})=\int _{\Omega _{0}}{\frac {d\Omega _{0}}{\Omega _{0}}}\left[2p({\boldsymbol {r}},v_{s}t)-2v_{s}t{\frac {\partial p({\boldsymbol {r}}_{0},v_{s}t)}{\partial (v_{s}t)}}\right]\right|_{t=|{\boldsymbol {r}}-{\boldsymbol {r}}_{0}|/v_{s}},\qquad \quad (4),}

dóndeΩ0{\displaystyle \Omega _{0}}es el ángulo sólido subtendido por toda la superficieS0{\displaystyle S_{0}}con respecto al punto de reconstrucciónr{\displaystyle {\boldsymbol {r}}}adentroS0{\displaystyle S_{0}}, y

dΩ0=dS0|r−r0|2norte^0s.(r−r0)|r−r0|.{\displaystyle d\Omega _{0}={\frac {dS_{0}}{|{\boldsymbol {r}}-{\boldsymbol {r}}_{0}|^{2}}}{\frac {{\hat {n}}_{0}^{s}.({\boldsymbol {r}}-{\boldsymbol {r}}_{0})}{|{\boldsymbol {r}}-{\boldsymbol {r}}_{0}|}}.}

Sistema simple

En la parte izquierda de la figura 3 se muestra un sistema PAT/TAT/OAT sencillo. El haz láser se expande y difunde para cubrir toda la región de interés. Se generan ondas fotoacústicas proporcionales a la distribución de la absorción óptica en el objetivo, y son detectadas por un único transductor ultrasónico de escaneo. Un sistema TAT/OAT es similar a un sistema PAT, con la diferencia de que utiliza una fuente de excitación de microondas en lugar de un láser. Si bien en ambos sistemas se han empleado transductores de un solo elemento, el esquema de detección puede ampliarse para utilizar también matrices de ultrasonidos.

Aplicaciones biomédicas

El contraste de absorción óptica o de microondas intrínseco y la alta resolución espacial limitada por difracción de los ultrasonidos hacen que la PAT y la TAT sean modalidades de imagen prometedoras para una amplia gama de aplicaciones biomédicas:

detección de lesiones cerebrales

Los tejidos blandos con diferentes propiedades de absorción óptica en el cerebro pueden identificarse claramente mediante PAT. [ 6 ]

Monitorización hemodinámica

Dado que la HbO₂ y la Hb son los compuestos absorbentes dominantes en los tejidos biológicos en el rango espectral visible, las mediciones fotoacústicas de múltiples longitudes de onda pueden utilizarse para revelar la concentración relativa de estos dos cromóforos . [ 6 ] [ 7 ] De este modo, se puede obtener la concentración total relativa de hemoglobina (HbT) y la saturación de oxígeno de la hemoglobina (sO₂ ) . Por lo tanto, los cambios hemodinámicos cerebrales asociados con la función cerebral pueden detectarse con éxito mediante la tomografía fotoacústica (PAT).

diagnóstico de cáncer de mama

Al utilizar microondas de baja dispersión para la excitación, la TAT es capaz de penetrar tejidos biológicos gruesos (de varios centímetros) con una resolución espacial inferior a milímetros. [ 8 ] Dado que el tejido canceroso y el tejido normal tienen respuestas similares a la radiación de radiofrecuencia, la TAT tiene un potencial limitado en el diagnóstico precoz del cáncer de mama.

Microscopía fotoacústica

La profundidad de imagen de la microscopía fotoacústica está limitada principalmente por la atenuación ultrasónica. Las resoluciones espaciales (axial y lateral) dependen del transductor ultrasónico utilizado. Se elige un transductor ultrasónico con alta frecuencia central y mayor ancho de banda para obtener una alta resolución axial. La resolución lateral viene determinada por el diámetro focal del transductor. Por ejemplo, un  transductor ultrasónico de 50 MHz proporciona una resolución axial de 15 micrómetros y una resolución lateral de 45 micrómetros con  una profundidad de imagen de aproximadamente 3 mm.

La microscopía fotoacústica tiene múltiples aplicaciones importantes en la obtención de imágenes funcionales: puede detectar cambios en la hemoglobina oxigenada/desoxigenada en vasos pequeños. [ 9 ] [ 10 ]

Otras aplicaciones

La imagen fotoacústica se introdujo recientemente en el contexto del diagnóstico de obras de arte , con énfasis en el descubrimiento de características ocultas como dibujos subyacentes o líneas de bocetos originales en pinturas . Las imágenes fotoacústicas, obtenidas de pinturas al óleo en miniatura sobre lienzo , iluminadas con un láser pulsado en su reverso, revelaron claramente la presencia de líneas de bocetos a lápiz cubiertas por varias capas de pintura. [ 11 ]

Avances en la imagen fotoacústica

Las nanocajas de oro se han presentado como un agente de contraste prometedor para la tomografía fotoacústica debido a sus propiedades ópticas ajustables. [ 12 ] La imagen fotoacústica ha experimentado avances recientes mediante la integración de principios de aprendizaje profundo y detección comprimida. Para más información, consulte Aprendizaje profundo en imagen fotoacústica .

Véase también

Referencias

  1. ↑ A. Grinvald; et  al. (1986). "Arquitectura funcional de la corteza revelada por imágenes ópticas de señales intrínsecas". Nature . 324 (6095): 361– 364. Bibcode : 1986Natur.324..361G . doi : 10.1038/324361a0 . PMID 3785405 . S2CID 4328958 .  
  2. 1 2 M. Xu; LH Wang (2006). "Imágenes fotoacústicas en biomedicina" (PDF) . Review of Scientific Instruments . 77 (4): 041101–041101–22. Bibcode : 2006RScI...77d1101X . doi : 10.1063/1.2195024 .
  3. ↑ Espectros de propiedades ópticas
  4. 1 2 L.H. Wang; HI Wu (2007). Óptica biomédica . Wiley. ISBN 978-0-471-74304-0.
  5. ↑ M. Xu; et al. (2005). "Algoritmo de retroproyección universal para tomografía fotoacústica computarizada" (PDF) . Physical Review E. 71 ( 1) 016706. Bibcode : 2005PhRvE..71a6706X . doi : 10.1103/PhysRevE.71.016706 . hdl : 1969.1/180492 . PMID 15697763 .  
  6. 1 2 X. Wang; et al. (2003). "Tomografía fotoacústica no invasiva inducida por láser para imágenes estructurales y funcionales del cerebro in vivo " (PDF) . Nature Biotechnology . 21 (7): 803– 806. doi : 10.1038/nbt839 . PMID 12808463. S2CID 2961096 .   
  7. ↑ X. Wang; et al. (2006). "Imágenes no invasivas de la concentración de hemoglobina y la oxigenación en el cerebro de la rata mediante tomografía fotoacústica de alta resolución" ( PDF) . Journal of Biomedical Optics . 11 (2): 024015. Bibcode : 2006JBO....11b4015W . doi : 10.1117/1.2192804 . PMID 16674205. S2CID 9488754 .   
  8. ↑ G. Ku; et al. (2005). "Tomografía termoacústica y fotoacústica de tejidos biológicos gruesos para imágenes mamarias". Tecnología en Investigación y Tratamiento del Cáncer . 4 (5): 559– 566. doi : 10.1177/153303460500400509 . hdl : 1969.1/181686 . PMID 16173826 . S2CID 15782118 .   
  9. ↑ Yao, Junjie; Wang, Lihong V. (31-01-2013). "Microscopía fotoacústica" . Laser & Photonics Reviews . 7 (5): 758– 778. Bibcode : 2013LPRv....7..758Y . doi : 10.1002 / lpor.201200060 . ISSN 1863-8880 . PMC 3887369. PMID 24416085 .   
  10. ↑ Zhang, Hao F; Maslov, Konstantin; Stoica, George; Wang, Lihong V (2006-06-25). "Microscopía fotoacústica funcional para imágenes in vivo no invasivas y de alta resolución" ( PDF) . Nature Biotechnology . 24 (7): 848– 851. doi : 10.1038/nbt1220 . ISSN 1087-0156 . PMID 16823374. S2CID 912509 .   
  11. ^ Tserevelakis, George J.; Vrouvaki, Iliana; Siozos, Panagiotis; Melessanaki, Krystallia; Hatzigiannakis, Kostas; Fotakis, Costas; Zacharakis, Giannis (7 de abril de 2017). "Las imágenes fotoacústicas revelan dibujos ocultos en las pinturas" . Informes científicos . 7 (1): 747. Código Bib : 2017NatSR...7..747T . doi : 10.1038/s41598-017-00873-7 . ISSN 2045-2322 . PMC 5429688 . PMID 28389668 .   
  12. ↑ Skrabalak, Sara E.; Chen, Jingyi; Sun, Yugang; Lu, Xianmao; Au, Leslie; Cobley, Claire M.; Xia, Younan (2008-12-16). "Nanocajas de oro: síntesis, propiedades y aplicaciones" . Accounts of Chemical Research . 41 (12 ) : 1587– 1595. doi : 10.1021/ar800018v . ISSN 0001-4842 . PMC 2645935. PMID 18570442 .   
  • Avances recientes en la aplicación de métodos acústicos, acustoópticos y fotoacústicos en biología y medicina.