La tomografia computerizzata fotoacustica (PACT) è una tecnica di imaging ibrida non invasiva che eccita i tessuti biologici con la luce e rileva gli ultrasuoni generati successivamente per formare immagini. PACT combina i vantaggi dell'imaging ottico:elevato contrasto ottico, e imaging a ultrasuoni:alta risoluzione e penetrazione profonda nei tessuti biologici. PACT è stato ampiamente utilizzato per la mappatura della rete vascolare, imaging cerebrale funzionale, e rilevazione del tumore nei tessuti profondi.

Però, rilevando onde ultrasoniche, PACT non può sfuggire al destino che è affrontato da tutte le tecniche di imaging basate su onde:la diffrazione delle onde presenta un limite fondamentale alla sua risoluzione spaziale. A causa della diffrazione ultrasonica, una sorgente puntiforme assorbente è distribuita come un disco (funzione di diffusione del punto) nella sua immagine, che ha una dimensione paragonabile alla lunghezza d'onda degli ultrasuoni. Perciò, le strutture nei tessuti sono macchiate da questo disco e sfocate, e tutte le caratteristiche che sono separate da una distanza inferiore alla lunghezza d'onda degli ultrasuoni non possono essere risolte. Sebbene sia possibile ottenere una risoluzione più fine rilevando gli ultrasuoni con lunghezze d'onda più corte, l'attenuazione degli ultrasuoni nei tessuti diventa di conseguenza più forte, limitando la penetrazione.

Recentemente, ricercatori del Caltech Optical Imaging Laboratory, diretto da Lihong Wang, ha sviluppato una tecnica per PACT a super risoluzione in vivo. Rompe il limite di diffrazione acustica localizzando i centri delle singole goccioline colorate che scorrono nei vasi sanguigni. Questa tecnica risolve i vasi sanguigni del cervello con una risoluzione sei volte più fine. La ricerca è stata pubblicata in Luce:scienza e applicazioni .

I ricercatori hanno fabbricato goccioline di olio in acqua "fotoacusticamente luminose" utilizzando una soluzione di un colorante idrofobo, vale a dire, IR-780 ioduro in olio. Le dimensioni delle gocce vanno da 4 a 30 micron, che sono molto più piccole delle lunghezze d'onda degli ultrasuoni rilevati, rendendole eccellenti sorgenti puntiformi fotoacustiche. Approfittando delle loro piccole dimensioni, conformità liquida, ed elevata 'luminosità' fotoacustica, una volta iniettato nel flusso sanguigno, le goccioline scorrono uniformemente nei capillari sanguigni e forniscono eccellenti traccianti per l'imaging a super risoluzione basato sulla localizzazione.

Iniettando le goccioline nei vasi cerebrali di topi vivi, i ricercatori hanno ottenuto PACT a super risoluzione in tre fasi. Il primo passo è l'immagine di goccioline colorate singole con colpi laser singoli. Il tempo di acquisizione dei dati di PACT (~50 μs) è così breve che le goccioline che scorrono sono quasi congelate in ogni fotogramma. Il numero delle goccioline iniettate è stato controllato in modo che le goccioline siano separate da più della metà di una lunghezza d'onda acustica, che garantiva che l'immagine di ciascuno (il disco) non si sovrapponesse a quella dei suoi vicini.

Il secondo passo è determinare l'esatta posizione di ogni goccia trovando il centro della sua funzione di diffusione del punto. Poiché le goccioline sono ben separate, i loro centri possono essere localizzati con precisioni molto inferiori alla lunghezza d'onda degli ultrasuoni. Sfruttando il flusso delle goccioline, le goccioline in vasi strettamente separati possono essere risolte spazialmente purché non vengano visualizzate nella stessa cornice dell'immagine.

Il passaggio finale consiste nel ripetere i processi di imaging e localizzazione fino a ottenere una densità sufficiente di punti sorgente. I ricercatori hanno acquisito continuamente 36, 000 frame di immagine e localizzato un totale di 220, 000 gocce. Contrassegnando le posizioni di tutte queste sorgenti puntiformi in un'immagine, si può costruire un'immagine super risolta, che rappresenta una rete vascolare risolta più fine poiché le goccioline sono confinate all'interno dei vasi. La risoluzione spaziale di questa immagine supera il limite di diffrazione, perché è determinato dalla precisione con cui può essere stimata la posizione di ciascuna goccia. Oltre al miglioramento della risoluzione, il monitoraggio delle goccioline che scorre ha anche permesso ai ricercatori di caratterizzare la velocità del flusso sanguigno nel cervello profondo dei topi vivi.

Il PACT di microvascolatura a super risoluzione ha una prospettiva entusiasmante. La tecnica ha il potenziale per far avanzare sostanzialmente lo studio della normale funzione dei vasi sanguigni, così come la malattia, come l'angiogenesi nei tumori nei tessuti profondi.