La imagen fotoacústica o imagen optoacústica es una modalidad de imagen biomédica basada en el efecto fotoacústico . Los pulsos de láser no ionizantes se envían a los tejidos biológicos y parte de la energía se absorberá y se convertirá en calor, lo que provocará una expansión termoelástica transitoria y, por tanto, una emisión ultrasónica de banda ancha (es decir, MHz) . Las ondas ultrasónicas generadas son detectadas por transductores ultrasónicos y luego analizadas para producir imágenes. Se sabe que la absorción óptica está estrechamente asociada 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. Entonces se pueden formar imágenes 2D o 3D de las áreas objetivo. [2]
Imágenes fotoacústicas |
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Imágenes biomédicas
La absorción óptica en tejidos biológicos puede deberse a moléculas endógenas como hemoglobina o melanina , o agentes de contraste administrados de forma exógena. Como ejemplo, la Fig. 2 muestra los espectros de absorción óptica de hemoglobina oxigenada (HbO 2 ) y hemoglobina desoxigenada (Hb) en la región visible e infrarroja cercana. [3] Dado que la sangre generalmente tiene una absorción de órdenes de magnitud más alta que los tejidos circundantes, existe suficiente contraste endógeno para que las imágenes fotoacústicas visualicen los vasos sanguíneos. Estudios recientes han demostrado que las imágenes fotoacústicas se pueden utilizar in vivo para la monitorización de la angiogénesis tumoral , el mapeo de la oxigenación de la sangre , las imágenes cerebrales funcionales, la detección del melanoma cutáneo , la medición de la metahemoglobina , etc. [2]
Δf | Contraste primario | Δz | δz | δx | Velocidad | |
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Hz | mm | μm | μm | Mvx / s | ||
Microscopía fotoacústica | 50 M | Absorción óptica | 3 | 15 | 45 | 0,5 |
Tomografía fotoacústica | 5 M | Absorción óptica | 50 | 700 | 700 | 0,5 |
Microscopia confocal | Fluorescencia, dispersión | 0,2 | 3-20 | 0.3-3 | 10-100 | |
Microscopía de dos fotones | Fluorescencia | 0.5-1.0 | 1-10 | 0.3-3 | 10-100 | |
La tomografía de coherencia óptica | 300 toneladas | Dispersión óptica | 1-2 | 0.5-10 | 1-10 | 20-4.000 |
Microscopía acústica láser de barrido | 300 M | Dispersión ultrasónica | 1-2 | 20 | 20 | 10 |
Microscopía acústica | 50 M | Dispersión ultrasónica | 20 | 20-100 | 80-160 | 0,1 |
Ecografía | 5 M | Dispersión ultrasónica | 60 | 300 | 300 | 1 |
Tabla 1. Comparación de mecanismos de contraste, profundidad de penetración (Δz), resolución axial (δz), resolución lateral (δx = δy) y velocidad de imagen de microscopía confocal, microscopía de dos fotones, tomografía de coherencia óptica (300 THz), microscopía de ultrasonido ( 50 MHz), ecografía (5 MHz), microscopía fotoacústica (50 MHz) y tomografía fotoacústica (3,5 MHz). Velocidades en megavoxel por segundo de técnicas no paralelas. |
Se han desarrollado dos tipos de sistemas de formación de imágenes fotoacústicas, la tomografía computarizada fotoacústica / termoacústica (también conocida como tomografía fotoacústica / termoacústica, es decir, PAT / TAT) y la microscopía fotoacústica (PAM). Un sistema PAT típico utiliza un detector de ultrasonido desenfocado 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 de enfoque esférico con escaneo 2D punto por punto y no requiere un algoritmo de reconstrucción.
Tomografía computarizada fotoacústica
Ecuación general
Dada la función de calefacción , la generación y propagación de la presión de ondas fotoacústicas en un medio no viscoso acústicamente homogéneo se rige por
dónde es la velocidad del sonido en medio, es el coeficiente de expansión térmica, y es la capacidad calorífica específica a presión constante. Eq. (1) se mantiene bajo confinamiento térmico para garantizar que la conducción de calor sea insignificante durante la excitación del pulso láser. El confinamiento térmico ocurre cuando el ancho del pulso del láser es mucho más corto que el tiempo de relajación térmica. [4]
La solución directa de la ecuación. (1) viene dado por
En el confinamiento de la tensión, que ocurre cuando el ancho del pulso del láser es mucho más corto que el tiempo de relajación de la tensión, [4] Eq. (2) se puede derivar además como
dónde 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 de la fuente interna, necesitamos resolver el problema inverso de la ecuación (3) (es decir, obtener). Un método representativo aplicado para la reconstrucción de PAT se conoce como algoritmo de retroproyección universal. [5] Este método es adecuado para tres geometrías de imágenes: superficies planas, esféricas y cilíndricas.
La fórmula de retroproyección universal es
dónde es el ángulo sólido subtendido por toda la superficie con respecto al punto de reconstrucción adentro , y
Sistema simple
Un sistema PAT / TAT / OAT simple se muestra en la parte izquierda de la Fig. 3. [ ¿dónde? ] El rayo láser se expande y difunde para cubrir toda la región de interés. Las ondas fotoacústicas se generan proporcionalmente a la distribución de la absorción óptica en el objetivo y son detectadas por un solo transductor ultrasónico escaneado. Un sistema TAT / OAT es igual que PAT, excepto que utiliza una fuente de excitación de microondas en lugar de un láser. Aunque se han empleado transductores de un solo elemento en estos dos sistemas, el esquema de detección se puede ampliar para utilizar también matrices de ultrasonidos.
Aplicaciones biomédicas
El contraste intrínseco de absorción óptica o de microondas y la alta resolución espacial limitada por difracción del ultrasonido hacen que PAT y TAT sean modalidades de imagen prometedoras para amplias aplicaciones biomédicas:
Detección de lesiones cerebrales
PAT puede identificar claramente los tejidos blandos con diferentes propiedades de absorción óptica en el cerebro. [6]
Monitorización hemodinámica
Dado que la HbO 2 y la Hb son los compuestos absorbentes dominantes en los tejidos biológicos en el rango espectral visible, se pueden usar mediciones fotoacústicas de múltiples longitudes de onda para revelar la concentración relativa de estos dos cromóforos . [6] [7] Por lo tanto, se puede derivar la concentración total relativa de hemoglobina (HbT) y la saturación de oxígeno de la hemoglobina (sO 2 ). Por lo tanto, los cambios hemodinámicos cerebrales asociados con la función cerebral pueden detectarse con éxito con PAT.
Diagnóstico de cáncer de mama
Al utilizar microondas de baja dispersión para la excitación, TAT es capaz de penetrar tejidos biológicos gruesos (varios cm) con una resolución espacial de menos de mm. [8] Dado que el tejido canceroso y el tejido normal tienen aproximadamente las mismas respuestas a la radiación de radiofrecuencia, la TAT tiene un potencial limitado en el diagnóstico temprano del cáncer de mama.
Microscopía fotoacústica
La profundidad de imagen de la microscopía fotoacústica está limitada principalmente por la atenuación ultrasónica. Las resoluciones espaciales (es decir, axiales y laterales) dependen del transductor ultrasónico utilizado. Se elige un transductor ultrasónico con alta frecuencia central y ancho de banda más amplio para obtener una alta resolución axial. La resolución lateral está determinada por el diámetro focal del transductor. Por ejemplo, un transductor ultrasónico de 50 MHz proporciona una resolución axial de 15 micrómetros y lateral de 45 micrómetros con una profundidad de imagen de ~ 3 mm.
La microscopía fotoacústica tiene múltiples aplicaciones importantes en las 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 boceto originales en pinturas . Las imágenes fotoacústicas, recogidas de pinturas al óleo en miniatura sobre lienzo , iluminadas con láser pulsado en su reverso, revelaron claramente la presencia de líneas de dibujo a lápiz recubiertas por varias capas de pintura. [11]
Avances en la imagen fotoacústica
La imagen fotoacústica ha experimentado avances recientes a través de la integración de principios de aprendizaje profundo y detección comprimida. Para obtener más información sobre las aplicaciones de aprendizaje profundo en imágenes fotoacústicas, consulte Aprendizaje profundo en imágenes fotoacústicas .
Ver también
Referencias
- ^ A. Grinvald; et al. (1986). "Arquitectura funcional de la corteza revelada por imágenes ópticas de señales intrínsecas" . Naturaleza . 324 (6095): 361–364. Código Bibliográfico : 1986Natur.324..361G . doi : 10.1038 / 324361a0 . PMID 3785405 . S2CID 4328958 .
- ^ a b M. Xu; LH Wang (2006). "Imagen fotoacústica en biomedicina" (PDF) . Revisión de instrumentos científicos . 77 (4): 041101–041101–22. Código Bibliográfico : 2006RScI ... 77d1101X . doi : 10.1063 / 1.2195024 .
- ^ Espectros de propiedades ópticas
- ^ a b LH Wang; Hola Wu (2007). Óptica Biomédica . Wiley. ISBN 978-0-471-74304-0.
- ^ M. Xu; et al. (2005). "Algoritmo de retroproyección universal para tomografía computarizada fotoacústica" (PDF) . Revisión E física . 71 (1): 016706. Código Bibliográfico : 2005PhRvE..71a6706X . doi : 10.1103 / PhysRevE.71.016706 . hdl : 1969.1 / 180492 . PMID 15697763 .
- ^ a b X. Wang; et al. (2003). "Tomografía fotoacústica no invasiva inducida por láser para imágenes estructurales y funcionales del cerebro in vivo " (PDF) . Biotecnología de la naturaleza . 21 (7): 803–806. doi : 10.1038 / nbt839 . PMID 12808463 . S2CID 2961096 .
- ^ X. Wang; et al. (2006). "Imágenes no invasivas de la concentración de hemoglobina y la oxigenación en el cerebro de rata mediante tomografía fotoacústica de alta resolución" (PDF) . Revista de Óptica Biomédica . 11 (2): 024015. Código Bibliográfico : 2006JBO .... 11b4015W . doi : 10.1117 / 1.2192804 . PMID 16674205 .
- ^ G. Ku; et al. (2005). "Tomografía termoacústica y fotoacústica de tejidos biológicos gruesos hacia imágenes de mama". Tecnología en la investigación y el tratamiento del cáncer . 4 (5): 559–566. doi : 10.1177 / 153303460500400509 . hdl : 1969.1 / 181686 . PMID 16173826 . S2CID 15782118 .
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- ^ Zhang, Hao F; Maslov, Konstantin; Stoica, George; Wang, Lihong V (25 de junio de 2006). "Microscopía fotoacústica funcional para imágenes in vivo de alta resolución y no invasivas" (PDF) . Biotecnología de la naturaleza . 24 (7): 848–851. doi : 10.1038 / nbt1220 . ISSN 1087-0156 . PMID 16823374 . S2CID 912509 .
- ^ Tserevelakis, George J .; Vrouvaki, Ilianna; Siozos, Panagiotis; Melessanaki, Krystallia; Hatzigiannakis, Kostas; Fotakis, Costas; Zacharakis, Giannis (7 de abril de 2017). "La imagen fotoacústica revela dibujos subyacentes ocultos en pinturas" . Informes científicos . 7 (1): 747. Bibcode : 2017NatSR ... 7..747T . doi : 10.1038 / s41598-017-00873-7 . ISSN 2045-2322 . PMC 5429688 . PMID 28389668 .
enlaces externos
- Avances recientes en la aplicación de métodos acústicos, acústico-ópticos y fotoacústicos en biología y medicina