La obtención de imágenes termoacústicas fue propuesta originalmente por Theodore Bowen en 1981 como una estrategia para estudiar las propiedades de absorción del tejido humano utilizando prácticamente cualquier tipo de radiación electromagnética . [1] Pero Alexander Graham Bell informó por primera vez el principio físico en el que se basan las imágenes termoacústicas un siglo antes. [2] Observó que se podía crear un sonido audible iluminando un haz intermitente de luz solar sobre una lámina de goma. Poco después de la publicación del trabajo de Bowen, otros investigadores propusieron una metodología para la obtención de imágenes termoacústicas utilizando microondas. [3] En 1994, los investigadores utilizaron un láser infrarrojo para producir las primeras imágenes termoacústicas de absorción óptica en el infrarrojo cercano en un fantasma que imitaba tejido , aunque en dos dimensiones (2D). [4] En 1995, otros investigadores formularon un algoritmo de reconstrucción general mediante el cual se podían calcular imágenes termoacústicas en 2D a partir de sus "proyecciones", es decir, la tomografía computarizada termoacústica (TCT). [5] En 1998, investigadores del Centro Médico de la Universidad de Indiana [6] extendieron la TCT a 3D y emplearon microondas pulsadas para producir las primeras imágenes termoacústicas completamente tridimensionales (3D) de tejido biológico [un riñón de cordero extirpado (Fig. 1)]. [7] Al año siguiente, crearon las primeras imágenes termoacústicas completamente en 3D del cáncer de mama humano, nuevamente utilizando microondas pulsadas (Fig. 2). [8] Desde entonces, las imágenes termoacústicas han ganado gran popularidad en instituciones de investigación de todo el mundo. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] En 2008, tres empresas estaban desarrollando sistemas comerciales de imágenes termoacústicas: Seno Medical, [16] Endra, Inc. [17] y OptoSonics, Cía. [18]
El sonido, que se propaga como una onda de presión , puede inducirse en prácticamente cualquier material, incluido el tejido biológico, siempre que se absorba energía electromagnética que varía en el tiempo. La radiación estimulante que induce estas ondas acústicas generadas térmicamente puede encontrarse en cualquier parte del espectro electromagnético, desde partículas ionizantes de alta energía hasta ondas de radio de baja energía. El término "fotoacústica" (ver imágenes fotoacústicas en biomedicina ) se aplica a este fenómeno cuando la radiación estimulante es óptica, mientras que "termoacústica" es el término más general y se refiere a todas las fuentes radiantes, incluidas las ópticas.
El proceso mediante el cual se generan las ondas termoacústicas se muestra en la Figura 3. Puede entenderse como un proceso de cuatro pasos:
Cuando el tejido se irradia con un pulso, las frecuencias acústicas que caracterizan la onda acústica abarcan un rango de cero a 1/(ancho de pulso). Por ejemplo, un pulso de 1 microsegundo produce frecuencias acústicas desde cero hasta aproximadamente 1 megahercio (MHz). Los pulsos más cortos producen una gama más amplia de frecuencias acústicas. Las frecuencias superiores a 1 MHz se denominan ultrasónicas y también están asociadas con aplicaciones de ultrasonido médico .
Cualquier dispositivo de imágenes termoacústicas requiere una fuente de radiación electromagnética, ya sea un láser o una antena de microondas , para entregar energía a la anatomía que se está estudiando, y uno o más detectores acústicos acoplados acústicamente a la superficie exterior de la anatomía, como se ilustra en la Fig. 4.
El detector acústico típico es un transductor de ultrasonido , que comúnmente está hecho de un material piezoeléctrico que convierte la presión detectada en una señal eléctrica. Las ondas termoacústicas se inducen dentro de la anatomía dondequiera que tenga lugar la absorción, y la fuerza de estas ondas termoacústicas es proporcional a la energía absorbida dentro del tejido. Algunas de estas ondas se propagan a través de la anatomía durante algún intervalo de tiempo ( tiempo de vuelo ) antes de ser detectadas por uno o más transductores acústicos. El tiempo de vuelo exacto es proporcional a la distancia entre un sitio de absorción y un transductor, suponiendo por el momento que cada transductor es un detector puntual . Para cualquier tiempo de vuelo determinado, cada transductor recibirá la suma de las ondas termoacústicas que se originan a la misma distancia del detector en cuestión, como se ilustra en la Fig. 5. Por esta razón, surge la ambigüedad al intentar localizar un sitio de absorción. con un transductor puntual. Se han empleado una variedad de estrategias para mitigar esta ambigüedad.
Se han utilizado tres configuraciones genéricas de detectores: un transductor enfocado esféricamente; un conjunto lineal (o curvo-lineal) de transductores, enfocados en una dimensión; o una matriz 2D de transductores desenfocados. En general, un único transductor enfocado puede visualizar una sola línea a través de un volumen 3D. Una matriz lineal (1D), ya sea recta o curva, puede generar imágenes de un plano 2D , pero para obtener imágenes de un volumen 3D completo se requiere una matriz 2D de transductores.
Un transductor de enfoque esférico es más sensible a las ondas termoacústicas que se originan a lo largo de una línea que pasa por su punto focal . La información del tiempo de vuelo se utiliza para estimar la intensidad de la señal termoacústica a lo largo de esta línea. Se puede ensamblar una imagen 2D línea a línea trasladando el transductor enfocado lateralmente a lo largo de una trayectoria lineal. Se puede crear una imagen 3D escaneando el transductor a lo largo de una trayectoria rectilínea dentro de un plano 2D. [19] [1] La capacidad de distinguir señales termoacústicas a lo largo de la línea de enfoque ( resolución axial ) es superior a distinguir señales termoacústicas transversales a la línea de enfoque ( resolución lateral ). Por esta razón, la resolución espacial lateral es de tres a cuatro veces peor que la resolución espacial axial usando este enfoque.
Los conjuntos de transductores lineales (tanto curvos como rectos) se utilizan habitualmente en la ecografía médica convencional . Están disponibles en una amplia variedad de tamaños y formas.[2] Se adaptan fácilmente para su uso en imágenes termoacústicas. La Figura 7 ilustra cómo se utiliza una matriz lineal para imágenes termoacústicas 2D. La matriz consta de una serie de elementos (64 - 256) que están enfocados en la dimensión vertical para mantener la máxima sensibilidad dentro de un plano 2D que se extiende hacia afuera desde la cara frontal de la matriz. Las señales termoacústicas dentro del avión se localizan calculando los tiempos de vuelo desde cada posición dentro del avión hasta cada elemento de la matriz (flechas, Fig. 7). [20] [3]
Para capturar suficientes datos termoacústicos para formar un mapa 3D preciso de absorción electromagnética, es necesario rodear la anatomía de la que se obtienen imágenes con una matriz 2D de transductores. El primer escáner termoacústico de animales en 3D del mundo (Fig. 8: panel izquierdo) logró esto combinando una matriz cilíndrica de 128 transductores (Fig. 8: panel central) con la rotación del animal del que se toma la imagen alrededor del eje vertical. El resultado neto fue capturar datos termoacústicos sobre la superficie de una esfera que rodea al animal del que se están tomando imágenes (Fig. 8: panel derecho). [21] Este dispositivo era capaz de visualizar estructuras tan pequeñas como 1/3 de milímetro. En la Fig. 9 se muestra una imagen animada en 3D de la vasculatura en la cabeza de un ratón. Esta imagen animada se adquirió utilizando radiación infrarroja cercana a 800 nm, donde la absorción óptica por la sangre es mayor que la de los tejidos circundantes. Por tanto, se visualiza preferentemente la vasculatura. También se han utilizado microondas para formar imágenes termoacústicas en 3D del seno humano. Uno de los primeros dispositivos en hacerlo se muestra en la figura 10. Consistía en un conjunto de ocho guías de ondas que dirigían la energía de microondas hacia el seno. Se hizo girar un conjunto de transductores en sincronía con las guías de ondas para adquirir datos suficientes para reconstruir las estructuras internas de la mama. La Figura 11 muestra una animación del patrón típico del tejido glandular en una mama normal.
