Sapevi che musica e diagnostica per immagini hanno qualcosa in comune? I suoni hanno un tono più basso o più alto a seconda delle dimensioni dell'oggetto che li crea. Tuba e contrabbassi sono grandi e producono suoni profondi e bassi, mentre flauti e violini sono piccoli e producono suoni acuti. La cosa interessante è che lo stesso effetto si verifica quando strutture biologiche come cellule o tessuti emettono suoni:il tono varia con le dimensioni.

Ma che tipo di suoni producono le strutture biologiche? Inoltre, come possiamo ascoltarli?

Sfruttando la correlazione tra dimensione e altezza, un gruppo di ricerca guidato da Ryerson che lavora presso l'Istituto di ingegneria biomedica, Science &Technology (iBEST) presso il St. Michael's Hospital ha recentemente sviluppato una modalità di imaging così innovativa che i risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature, Fisica della comunicazione .

Un apprezzamento di questa svolta inizia con le basi dell'imaging fotoacustico (PA), una modalità che sta rapidamente prendendo piede nella ricerca biomedica. Come suo cugino l'imaging a ultrasuoni (USA), L'imaging PA crea un'immagine visiva delle strutture biologiche raccogliendo onde sonore.

Mentre la tecnologia di imaging statunitense prevede l'invio di onde sonore in una struttura biologica e l'ascolto degli echi mentre rimbalzano, La tecnologia di imaging PA fa qualcosa di completamente diverso.

"Con l'imaging fotoacustico, proiettiamo la luce in strutture che la assorbiranno, come i vasi sanguigni, "dice il dottor Michael Kolios, il pioniere dell'imaging PA che ha supervisionato lo studio. "Le onde luminose fanno riscaldare le strutture biologiche di una piccola frazione, che innesca una quasi impercettibile espansione di volume. Quando ciò accade, il suono è generato, come il tuono dopo un fulmine."

La maggior parte delle tecniche di imaging PA esistenti misurano l'ampiezza (intensità), visualizzando aree che emettono suoni più forti con pixel più luminosi. Ciò che il team guidato da Ryerson si proponeva di sviluppare era una tecnica che misurasse la frequenza (altezza) dei suoni emessi dalle strutture biologiche.

"A seconda delle dimensioni di una struttura biologica, il tono delle onde sonore che emette sarà più alto o più basso, "dice il dottor Michael Moore, un residente di fisica medica al Grand River Hospital di Kitchener che ha guidato il gruppo di ricerca come studente di dottorato sotto la supervisione di Kolios. "Se potessimo filtrare i suoni in arrivo per frequenza, potremmo creare immagini che si concentrano su strutture di una dimensione particolare, che aiuterebbe a rivelare caratteristiche che altrimenti potrebbero essere nascoste o meno evidenti."

Il team ha sviluppato una tecnica chiamata F-Mode (per la frequenza), che ha permesso loro di suddividere i segnali PA in diverse bande di frequenza. Hanno quindi dimostrato con successo il miglioramento selettivo delle caratteristiche di diverse dimensioni in campioni che vanno dalle cellule biologiche alle larve di zebrafish vive, il tutto senza l'uso di coloranti di contrasto che sarebbero tipicamente richiesti da altre tecniche di imaging all'avanguardia.

Moore e Kolios sono pronti a sottolineare che una chiave del loro successo è stata l'opportunità di lavorare presso iBEST e con il Dr. Xiao-Yan Wen e il suo team presso lo Zebrafish Center for Advanced Drug Discovery. "Senza la conoscenza e l'esperienza del team del Wen Lab, non sarebbe stato possibile dimostrare che la nostra tecnica funziona, "dice Moore.

Il gruppo di ricerca, che include i candidati al dottorato in fisica biomedica Ryerson Eno Hysi e Muhannad Fadhel, sta ora adottando misure per tradurre F-Mode in applicazioni cliniche, dove sarà di ampio beneficio. Per esempio, la capacità di segmentare e migliorare le caratteristiche di diverse scale ha un potenziale significativo in aree come l'oftalmologia, neurochirurgia e il rilevamento di varie condizioni come l'ipertensione.