La obtención de imágenes fotoacústicas o imágenes optoacústicas es una modalidad de obtención de imágenes biomédicas basada en el efecto fotoacústico . Se aplican pulsos láser no ionizantes a los tejidos biológicos y parte de la energía se absorbe y se convierte en calor, lo que provoca una expansión termoelástica transitoria y, por lo tanto, una emisión ultrasónica de banda ancha (es decir, MHz) . Las ondas ultrasónicas generadas se detectan mediante transductores ultrasónicos y luego se analizan 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. Luego se pueden formar imágenes 2D o 3D de las áreas objetivo. [2]
La absorción óptica en los tejidos biológicos puede deberse a moléculas endógenas como la hemoglobina o la melanina , o a agentes de contraste administrados de forma exógena . Como ejemplo, la figura 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 órdenes de magnitud de absorción más altas 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 sanguínea , la obtención de imágenes cerebrales funcionales, la detección de melanomas cutáneos , la medición de la metahemoglobina , etc. [2]
Se han desarrollado dos tipos de sistemas de obtención 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 ultrasonidos no enfocado para adquirir las señales fotoacústicas y la imagen se reconstruye mediante la solución inversa de las ecuaciones fotoacústicas. Un sistema PAM, por otro lado, utiliza un detector de ultrasonidos enfocado esféricamente con escaneo punto por punto en 2D y no requiere ningún algoritmo de reconstrucción.
Dada la función de calentamiento , la generación y propagación de la presión de onda fotoacústica en un medio no viscoso acústicamente homogéneo está gobernada por
donde es la velocidad del sonido en el medio, es el coeficiente de expansión térmica y es la capacidad calorífica específica a presión constante. La ecuación (1) se cumple 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 láser es mucho más corto que el tiempo de relajación térmica. [4]
La solución directa de la ecuación (1) está dada por
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 además como
¿Dónde está la presión fotoacústica inicial?
En un sistema PAT, la presión acústica se detecta al escanear 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 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 universal de retroproyección es
donde es el ángulo sólido subtendido por toda la superficie con respecto al punto de reconstrucción dentro de , y
En la parte izquierda de la figura 3 se muestra un sistema PAT/TAT/OAT simple. [ ¿Dónde? ] El haz láser se expande y se difunde para cubrir toda la región de interés. Las ondas fotoacústicas se generan de manera proporcional a la distribución de la absorción óptica en el objetivo y se detectan mediante un único transductor ultrasónico escaneado. Un sistema TAT/OAT es igual que el 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.
El contraste de absorción óptica o de microondas intrínseco y la alta resolución espacial limitada por difracción del ultrasonido hacen que PAT y TAT sean modalidades de imágenes prometedoras para una amplia variedad de aplicaciones biomédicas:
Los tejidos blandos con diferentes propiedades de absorción óptica en el cerebro se pueden identificar claramente mediante PAT. [6]
Dado que la HbO 2 y la Hb son los compuestos absorbentes dominantes en los tejidos biológicos en el rango espectral visible, se pueden utilizar mediciones fotoacústicas de longitud de onda múltiple para revelar la concentración relativa de estos dos cromóforos . [6] [7] De este modo, 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 se pueden detectar con éxito con PAT.
Al utilizar microondas de baja dispersión para la excitación, la 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.
La profundidad de imagen de la microscopía fotoacústica está limitada principalmente por la atenuación ultrasónica. Las resoluciones espaciales (es decir, axial y lateral) dependen del transductor ultrasónico utilizado. Se elige un transductor ultrasónico con una frecuencia central alta y un ancho de banda más amplio para obtener una resolución axial alta. 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 una resolución lateral de 45 micrómetros con una profundidad de imagen de ~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]
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 recubiertas por varias capas de pintura. [11]
La obtención de imágenes fotoacústicas ha experimentado avances recientes gracias a la integración de principios de aprendizaje profundo y detección comprimida. Para obtener más información sobre las aplicaciones de aprendizaje profundo en la obtención de imágenes fotoacústicas, consulte Aprendizaje profundo en la obtención de imágenes fotoacústicas .
![{\displaystyle p({\vec {r}},t)={\frac {1}{4\pi v_{s}^{2}}}{\frac {\parcial }{\parcial t}}\left[{\frac {1}{v_{s}t}}\int d{\vec {r'}}p_{0}({\vec {r'}})\delta \left(t-{\frac {|{\vec {r}}-{\vec {r'}}|}{v_{s}}}\right)\right]\qquad \,(3),}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c977afe661f04a20c272d0ec7ca5a61fe45b764e)
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