La tomografia fotoacustica quantitativa (QPAT) è una tecnica di imaging medico che combina segnali fotoacustici indotti dal laser e rilevamento degli ultrasuoni per creare immagini tridimensionali dettagliate di tessuti biologici. Il processo prevede l'irradiazione dei tessuti biologici con brevi impulsi laser. Questi impulsi vengono assorbiti dalle molecole che assorbono la luce (cromofori) all'interno dei tessuti, provocando un rapido riscaldamento e la generazione di onde ultrasoniche o segnali acustici.
La distribuzione risultante della pressione acustica viene misurata e registrata nel tempo, formando una serie temporale fotoacustica utilizzata per ricostruire un'immagine tridimensionale del tessuto. Nella tomografia fotoacustica, gli impulsi laser vengono dispersi su un'area di tessuto più ampia anziché essere focalizzati su una regione specifica. Per produrre l'immagine finale del tessuto, è fondamentale stimare le proprietà ottiche dei tessuti dalle serie temporali fotoacustiche misurate.
In una recensione pubblicata sul Journal of Biomedical Optics (JBO) , Tanja Tarvainen dell'Università della Finlandia orientale e Ben Cox dell'University College di Londra discutono della parte ottica o dell'aspetto della generazione di immagini di QPAT.
"Il nostro studio si concentra sulla matematica della parte ottica", afferma Tarvainen. "Essa esamina il pensiero attuale riguardo a due problemi correlati:qual è il modo migliore per descrivere matematicamente la propagazione della luce e la sua interazione con il tessuto biologico? Date le misurazioni fotoacustiche, cosa, in linea di principio, possiamo imparare sulle proprietà ottiche del tessuto, o addirittura sulla proprietà correlate e più clinicamente rilevanti come l'ossigenazione del sangue?"
La revisione inizia introducendo modelli matematici comunemente utilizzati per descrivere la propagazione della luce e del suono nei tessuti biologici, in particolare l'equazione di trasferimento radiativo (RTE) e le sue approssimazioni. Queste equazioni descrivono il movimento della luce attraverso un mezzo, considerando il suo assorbimento, diffusione ed emissione. Nel QPAT, l'RTE funge da modello per comprendere come la luce interagisce con i tessuti biologici, assumendo l'energia costante dei fotoni durante le collisioni elastiche e un indice di rifrazione del mezzo costante.
La rassegna introduce poi il parametro di Grüneisen, che lega l'energia ottica assorbita dai tessuti alla distribuzione iniziale della pressione acustica. Sono inoltre evidenziate le equazioni per la propagazione delle onde acustiche nei tessuti biologici.
Successivamente, i ricercatori discutono il problema inverso fotoacustico che implica la stima delle concentrazioni di molecole che assorbono la luce nei tessuti biologici. Ci sono due problemi inversi in QPAT. Nel problema acustico inverso, la distribuzione della pressione acustica è determinata dalle serie temporali fotoacustiche misurate.
Tuttavia, questa recensione si concentra sul problema ottico inverso, in cui le distribuzioni dei parametri ottici sono stimate dalla densità di energia ottica assorbita. Risolvere i problemi inversi è importante per ottenere stime accurate di parametri clinicamente importanti, come le concentrazioni di ossiemoglobina e deossiemoglobina, che sono indicatori dei livelli di saturazione di ossigeno nel sangue.
Gli autori delineano due approcci al problema dell'inverso ottico nel QPAT:una stima diretta delle concentrazioni di cromofori dai dati di densità dell'energia ottica assorbita e un processo a due stadi che coinvolge il recupero dei coefficienti di assorbimento, seguito dall'inversione spettroscopica per calcolare la concentrazione.
Infine, la revisione discute le sfide associate all’implementazione pratica del QPAT. Questi includono affrontare l'effetto della diffusione ottica, considerando la variazione nell'assorbimento dell'energia ottica da parte dei tessuti (effetto di fluenza), la necessità di metodi computazionali intensivi e le incertezze nei parametri utilizzati come input per i modelli, come il Grüneisen parametro.
"Sebbene QPAT sia una metodologia promettente per fornire immagini 3D ad alta risoluzione di parametri fisiologicamente rilevanti, ci sono molte sfide basate sulla modellazione computazionale che devono essere affrontate prima che la tecnica possa essere sviluppata come strumento clinico o preclinico standard", afferma Tarvainen.
QPAT rappresenta una promessa significativa per l'imaging e la diagnosi medica non invasiva. Gli argomenti discussi nella presente revisione possono guidare lo sviluppo di strategie per migliorare l'accuratezza e l'affidabilità del QPAT negli scenari del mondo reale.
Ulteriori informazioni: Tanja Tarvainen et al, Tomografia fotoacustica quantitativa:modellazione e problemi inversi, Journal of Biomedical Optics (2023). DOI:10.1117/1.JBO.29.S1.S11509
Informazioni sul giornale: Rivista di ottica biomedica
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