Imágenes fotoacústicas - Photoacoustic imaging

Imágenes fotoacústicas
Imágenes fotoacústicas
	Ilustración esquemática de imágenes fotoacústicas
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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 . 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.

Imágenes biomédicas

Fig. 2. Espectros de absorción de oxi y desoxihemoglobina.

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. 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 de melanoma cutáneo , la medición de metahemoglobina , etc.

	Δf	Contraste primario	Δz	δz	δx	Velocidad
	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 los 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 imágenes fotoacústicas, tomografía computarizada fotoacústica / termoacústica (también conocida como tomografía fotoacústica / termoacústica, es decir, PAT / TAT) y 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 calentamiento , la generación y propagación de la presión de la onda fotoacústica en un medio no viscoso acústicamente homogéneo se rige por ${\ Displaystyle H ({\ vec {r}}, t)}$ ${\ Displaystyle p ({\ vec {r}}, t)}$

{\ Displaystyle \ nabla ^ {2} p ({\ vec {r}}, t) - {\ frac {1} {v_ {s} ^ {2}}} {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ parcial {t ^ {2}}}} p ({\ vec {r}}, t) = - {\ frac {\ beta} {C_ {p}}} {\ frac {\ parcial} {\ parcial t}} H ({\ vec {r}}, t) \ qquad \ qquad \ quad \ quad (1),}

donde es la velocidad del sonido en el 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. ${\ Displaystyle v_ {s}}$ ${\ Displaystyle \ beta}$ ${\ Displaystyle C_ {p}}$

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

{\ Displaystyle \ left.p ({\ vec {r}}, t) = {\ frac {\ beta} {4 \ pi C_ {p}}} \ int {\ frac {d {\ vec {r '} }} {| {\ vec {r}} - {\ vec {r '}} |}} {\ frac {\ parcial H ({\ vec {r'}}, t ')} {\ parcial t'} } \ right | _ {t '= t- | {\ vec {r}} - {\ vec {r'}} | / v_ {s}} \ qquad \ quad \, \, \, \, (2) .}

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, Eq. (2) se puede derivar además como

{\ Displaystyle p ({\ vec {r}}, t) = {\ frac {1} {4 \ pi v_ {s} ^ {2}}} {\ frac {\ parcial} {\ parcial t}} \ izquierda [{\ 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),}

donde está la presión fotoacústica inicial. ${\ Displaystyle p_ {0}}$

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. Este método es adecuado para tres geometrías de imagen: superficies planas, esféricas y cilíndricas. ${\ Displaystyle p_ {0}}$

La fórmula de retroproyección universal es

{\ Displaystyle \ left.p_ {0} ({\ vec {r}}) = \ int _ {\ Omega _ {0}} {\ frac {d \ Omega _ {0}} {\ Omega _ {0} }} \ left [2p ({\ vec {r_ {0}}}, v_ {s} t) -2v_ {s} t {\ frac {\ partial p ({\ vec {r_ {0}}}, v_ {s} t)} {\ partial (v_ {s} t)}} \ right] \ right | _ {t = | {\ vec {r}} - {\ vec {r_ {0}}} | / v_ {s}}, \ qquad \ quad (4),}

donde es el ángulo sólido subtendido por toda la superficie con respecto al punto de reconstrucción en el interior , y ${\ Displaystyle \ Omega _ {0}}$ ${\ Displaystyle S_ {0}}$ ${\ Displaystyle {\ vec {r}}}$ ${\ Displaystyle S_ {0}}$

{\ Displaystyle d \ Omega _ {0} = {\ frac {dS_ {0}} {| {\ vec {r}} - {\ vec {r_ {0}}} | ^ {2}}} {\ frac {{\ hat {n}} _ {0} ^ {s}. ({\ vec {r}} - {\ vec {r_ {0}}})} {| {\ vec {r}} - {\ vec {r_ {0}}} |}}.}

Sistema simple

En la parte izquierda de la figura 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 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.

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 . Por 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. 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.

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.

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

enlaces externos

Avances recientes en la aplicación de métodos acústicos, acústico-ópticos y fotoacústicos en biología y medicina

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