Imágenes fotoacústicas

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 será absorbida y convertida 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. 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 en 2D o 3D de las áreas objetivo.

Imágenes biomédicas

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 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. Dado que la sangre suele tener una absorción de órdenes de magnitud mayor 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 de melanomas cutáneos, la medición de la metahemoglobina, etc.

Dos tipos de sistemas de imágenes fotoacústicas, tomografía computarizada fotoacústica/termoacústica (también conocida como tomografía fotoacústica/termoacústica, es decir, PAT/TAT) y microscopía fotoacústica (PAM) , ha sido desarrollado. 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 enfocado esféricamente con escaneo 2D punto por punto y no requiere ningún algoritmo de reconstrucción.

Tomografía computarizada fotoacústica

Ecuación general

Dada la función de calefacción H()r→ → ,t){displaystyle H({vec},t)}, la generación y propagación de la presión de onda fotoacústica p()r→ → ,t){displaystyle p({vec},t)} en un medio invisivo acústico homogéneo se rige por

Silencio Silencio 2p()r→ → ,t)− − 1vs2∂ ∂ 2∂ ∂ t2p()r→ → ,t)=− − β β Cp∂ ∂ ∂ ∂ tH()r→ → ,t)()1),{displaystyle nabla ^{2}p({vec {r},t)-{frac {fnK} {fnK} {fnMicroc {fnK}{c} {f}}}}p({vec {fn}}=-{fc} {beta}}} {fnK}}} {fnK} {f}}}} {fn0}}}} {fnf}}}}f}}}}}}}}}}}}}}}f}}}}f} {f} {f} {f} {f} {f} {f} {f}}f}f}}}f}f}f}f}f}f}}fnf}fnf}f}f}f}fnf}f}f}}fnfnfnfnfnf}fnf}f}fnf}}}fn {cH}H({vec {}},t)qquad quad quadquad (1),}

Donde vs{displaystyle v_{s} es la velocidad del sonido en medio, β β {displaystyle beta } es el coeficiente de expansión térmica, y Cp{displaystyle C_{p} es la capacidad de calor específica a presión constante. Eq. (1) mantiene bajo confinamiento térmico para asegurar que la conducción de calor sea insignificante durante la excitación del pulso láser. El confinamiento térmico ocurre cuando el pulso láser es mucho más corto que el tiempo de relajación térmica.

La solución directa de la ecuación. (1) está dado por

p()r→ → ,t)=β β 4π π Cp∫ ∫ dr.→ → Silencior→ → − − r.→ → Silencio∂ ∂ H()r.→ → ,t.)∂ ∂ t.Silenciot.=t− − Silencior→ → − − r.→ → Silencio/vs()2).{displaystyle left.p({vec {r}},t)={frac {beta }{4pi ¿Qué? {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}}} {fnMicrosoft}}}}}}}}}} {\fnun}}}}}}} {fnMientras no lo siento mucho tiempo {\fnMientras no lo siento mucho* {fnK} {fnK}} {fnMicroc {cH({vec {h},t'} {partial t'}}}}}justo de la vida_{t'=t-not-Upsvec {}- {fn} {fnK} {fnMicrosoft}}qquad quad ,,,,(2). }

En confinamiento por estrés, que ocurre cuando el ancho del pulso del láser es mucho más corto que el tiempo de relajación del estrés, la ecuación. (2) se puede derivar además como

p()r→ → ,t)=14π π vs2∂ ∂ ∂ ∂ t[1vst∫ ∫ dr.→ → p0()r.→ → )δ δ ()t− − Silencior→ → − − r.→ → Silenciovs)]()3),{displaystyle p({vec {},t)={frac {1}{4pi {fnK} {fnfnh} {fnfnh}m} {fnfn} {fn} {fnc} {fnfnfnfn}p_}({fnc {fnh}}})delta left(t-{fracfnf}fnfnfnfnfnfnfnfnhnfnfnfnfnfnfnhnhnhnhnhnhnhnfnfnfnhnhnhfnhnhnhnhnhnhnhnfnhnhnfnhnhnfnhnhnfnhnh}fnhnh}fnh}fnhnh}fnhnhnfnhnhnh}fnhn {fnK}- {fnMicrosoft} {r'}tuvo}{v_{s}}derecha]qquad ,(3),}

Donde p0{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 de fuentes internas, necesitamos resolver el problema inverso de la ecuación (3) (es decir, para obtener p0{displaystyle P_{0}). Un método representativo aplicado para la reconstrucción de PAT es conocido como el algoritmo de retroproyección universal. Este método es adecuado para tres geometrías de imagen: superficies planas, esféricas y cilíndricas.

La fórmula de retroproyección universal es

p0()r→ → )=∫ ∫ Ω Ω 0dΩ Ω 0Ω Ω 0[2p()r0→ → ,vst)− − 2vst∂ ∂ p()r0→ → ,vst)∂ ∂ ()vst)]Silenciot=Silencior→ → − − r0→ → Silencio/vs,()4),{displaystyle left.p_{0}({vec {r})=int Omega ¿Qué? Omega ¿Qué? Omega ¿Qué? - ¿Qué? {partial p({vec {fnK}}},v_{s}t)}{partial (v_{s}}right)right sobre la vida_{t= sobre la vida{vec] {}-{vec} {fnMicrosoft Sans Serif}

Donde Ω Ω 0{displaystyle Omega ¿Qué? es el ángulo sólido subtended por toda la superficie S0{displaystyle S_{0} con respecto al punto de reconstrucción r→ → {displaystyle {vec}} dentro S0{displaystyle S_{0}, y

dΩ Ω 0=dS0Silencior→ → − − r0→ → Silencio2n^ ^ 0s.()r→ → − − r0→ → )Silencior→ → − − r0→ → Silencio.{displaystyle ♪ Omega - ¿Qué? {fnK} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft {fn}}} {fnMicrosoft} {fn}}}} {fn}}} {f}} {fn}} {fnMicrosoft}}}}} {f}}}}}} {f}}}}} {f}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\f} {\fnfnfnfnf}}fnfnfn\fnfnfnfnfnfn\fnfn\\fnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfn\fnfn {}-{vec} {fnMicroc}} {fnMicroc}} {fnK}}} {fnK}}}} {f}}} {fnK}}}}}} {fnK}}}}} {fn}}}}}}} {f}}}}}}} {fnMicroc {fn} {fn}} {fnfnfnh}}} {fnfn}} {fnfn}}} {fnfnfnfnK}}}} {fnfnfnfnK}}}}}} {fnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnKfnfnfnfnh00fnh00fnh00}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\fnfn\\fn\\\\cH00cH00fn\\cH00 {}-{vec} {fnMicrosoft Sans Serif}}

Sistema sencillo

En la parte izquierda de la Fig. 3 se muestra un sistema PAT/TAT/OAT simple. 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 único 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 en estos dos sistemas se han empleado transductores de un solo elemento, el esquema de detección se puede ampliar para utilizar también conjuntos de ultrasonidos.

Aplicaciones biomédicas

El contraste intrínseco de absorción óptica o de microondas y la alta resolución espacial del ultrasonido limitada por la difracción hacen que PAT y TAT sean modalidades de imagen prometedoras para amplias aplicaciones biomédicas:

Detección de lesiones cerebrales

La PAT puede identificar claramente los tejidos blandos con diferentes propiedades de absorción óptica en el cerebro.

Monitorización hemodinámica

Dado que la HbO₂ y la Hb son los compuestos absorbentes dominantes en los tejidos biológicos en el rango espectral visible, se pueden utilizar mediciones fotoacústicas de múltiples longitudes de onda para revelar la concentración relativa de estos dos cromóforos. Por lo tanto, se puede derivar 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 se pueden detectar 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. 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 la 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 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 una resolución lateral de 45 micrómetros con una profundidad de imagen de ~3 mm.

La microscopía fotoacústica tiene múltiples aplicaciones importantes en imágenes funcionales: puede detectar cambios en la hemoglobina oxigenada/desoxigenada en vasos pequeños.

Otras aplicaciones

Las imágenes fotoacústicas se introdujeron recientemente en el contexto del diagnóstico de obras de arte con énfasis en el descubrimiento de características ocultas, como dibujos inferiores o líneas de bocetos originales en las pinturas. Imágenes fotoacústicas, extraídas de pinturas al óleo en miniatura sobre lienzo, iluminadas con un láser pulsado en el reverso, revelaron claramente la presencia de líneas de bocetos a lápiz recubiertas por varias capas de pintura.

Avances en imágenes fotoacústicas

Las imágenes fotoacústicas han experimentado avances recientes mediante 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.