Imagistica fotoacustică, o tehnologie avansată care combină undele sonore de înaltă frecvență cu lumina laser - le oferă cercetătorilor și medicilor un nou mod de a vizualiza țesutul viu.


Imagine obținută prin imagistică fotoacustică a vaselor de sânge dintr-o palmă. Culoare arată adâncimea vaselor de sânge.
Matsumoto et al. (2018) Scientific Reports, CC BY 4.0

Expresia "a vedea înseamnă a crede" este uneori la fel de adevărată în știință ca și în alte domenii ale vieții. Imaginile științifice deschid perspective ascunse care sunt invizibile ochiului liber din lumea microscopică a celulelor, moleculelor și chiar și a atomilor până la cele mai îndepărtate galaxii. Multe dintre aceste imagini sunt create folosind sisteme care se bazează pe fascicule de lumină. Dar în biologie și medicină astfel de sisteme au unele dezavantaje: lumina nu poate pătrunde prea departe în țesutul biologic fără a fi împrăștiată, imaginile rezultate fiind neclare. Deși razele X pot pătrunde mai adânc, ele sunt dăunătoare celulelor, deci utilizarea lor trebuie redusă la minim.



Pentru a depăși aceste probleme s-au dezvoltat și alte metode imagistice care se bazează nu pe lumină, ci pe alte tipuri de unde, cum ar fi undele acustice (sunetul), care sunt folosite în tehnologia familiară a imaginilor cu ultrasunete. Datorită lungimilor de undă mai mari, undele acustice sunt împrăștiate mult mai greu de țesuturile biologice și pot pătrunde mai departe, permițând medicilor să monitorizeze dezvoltarea nou-născuților în uter, să studieze sângele care curge prin vene și să identifice defecte ale inimii. Cu toate acestea, imaginile standard cu ultrasunete au în general o rezoluție slabă și nu pot concura cu claritatea pe care o permit imaginile cu raze X.

Cu toate acestea, există o tehnologie de imagistică ce combină lumina cu sunetul și promite avantajele ambelor. Denumită adecvat imagistică fotoacustică, această tehnică se bazează pe efectul fotoacustic descoperit în 1880 de inventatorul scoțian Alexander Graham Bell.

 

 

Cum funcționează imagistica fotoacustică?

După cum a descoperit Bell cu mai mult de un secol în urmă, anumite materiale emit unde sonore când sunt lovite de lumină cu impulsuri rapide. Pentru a înțelege de ce, vă puteți gândi la acest proces ca fiind constituit din două etape.

În prima etapă, absorbția luminii generează căldură - un efect care este familiar tuturor celor care au lăsat o mașină parcată într-un loc fără umbră într-o zi însorită. Energia luminii determină moleculele din materialul expus să intre într-o stare de energie ridicată, "stare excitată". Această stare nu este stabilă: în aproximativ a trilioana parte a unei secunde, moleculele revin la starea lor stabilă anterioară prin emiterea de energie termică. Același proces are loc și când direcționăm lumina unui laser asupra unei celule: anumite molecule numite cromofori sau pigmenți absorb energia luminii și se încălzesc.

În a doua etapă, căldura generează schimbări de presiune - deoarece, atunci când un obiect este încălzit, acesta se dilată. Dacă se întâmplă acest lucru cu pigmenții ce absorb lumină din interiorul celulei, moleculele de pigment încep să vibreze puternic și să împingă structurile înconjurătoare, provocând schimbări locale ale presiunii. Totuși, o singură dilatare nu este suficientă pentru a genera unde sonore. Pentru ca acest lucru să se întâmple, presiunea trebuie să oscileze rapid - exact ceea ce se întâmplă dacă laserul este făcut să genereze o succesiune de impulsuri foarte rapide, fiecare durând a miliarda parte a unei secunde. Expansiunile ce rezultă, alternând cu răcirea și contracția, generează o undă sonoră cu o frecvență între 1 și 100 MHz - aproximativ de 50 până la 5.000 de ori mai mare decât cea mai înaltă frecvență pe care urechile noastre o pot detecta. Această undă sonoră poate fi apoi detectată și utilizată pentru a produce imagini clare, de înaltă rezoluție, a structurilor biologice, inclusiv cele care sunt în mod normal ascunse sub alte țesuturi.

 


Cum funcționează imagistica fotoacustică. Pulsurile laser duc la generearea de unde de ultrasunete, care sunt captate de un detector și folosit pentru a crea imagini ale structurilor din interiorul țesuturilor. Credit: Jakub Czuchnowski




Folosirea imagisticii fotoacustică
    
Abordarea fotoacustică are avantaje distincte față de tehnica de imagistică standard, cunoscută sub numele de microscopie fluorescentă.

În microscopia fluorescentă se adaugă un marker fluorescent la o mostră, care devine fluorescentă în urma utilizării unui fascicul de lumină cu o lungime de undă controlată. În microscopia fotoacustică nu trebuie adăugate molecule suplimentare, iar tehnica permite ca toate moleculele absorbante - inclusiv cele prezente în mod natural în organismele vii - să fie prinse în imagine. În plus, anumite tipuri de molecule pot fi descoperite selectiv prin schimbarea lungimii de undă a luminii de excitație, iar folosirea mai multor lungimi de undă ne permite să vedem componente de țesut diferite în același timp.

De asemenea, imagistica fotoacustică este dezvoltată pentru a crea o nouă formă de tomografie - o tehnologie computerizată prin care imagini 3D sunt construite prin integrarea informațiilor digitale. Tomografia fotoacustică se bazează pe faptul că fiecare moleculă absorbantă emite o undă de presiune sferică care se propagă în trei dimensiuni. Detectoarele plasate în diferite locații captează aceste impulsuri în diferite momente, iar software-ul se folosește de diferențele de timp pentru a calcula punctul de unde s-au format undele sferice.

În practică, undele de presiune provenite de la o singură moleculă sunt prea slabe pentru a fi observate. În tomografia fotoacustică, detectăm în mod normal semnale care provin de la grupuri de miliarde sau trilioane de molecule, care corespund unor aglomerări de între 10 și 1.000 de celule. Prin comparație, în RMN-ul clinic (o formă larg răspândită de tomografie), rezoluția este de 1 mm3, care corespunde unui număr de aproximativ un milion de celule.


Aplicații medicale

    
Imagistica fotoacustică are un mare potențial în medicină, unde imagistica științifică este un instrument de diagnostic important. Este deosebit de folositoare în imagistica structurilor care conțin sânge, deoarece hemoglobina - pigmentul purtător de oxigen din celulele sanguine - apare pronunțat în imaginile fotoacustice.

O aplicație constă în detectarea tumorilor. Când tumorile cresc, ele declanșează reorganizarea vaselor de sânge din jur, cauzând de multe ori formarea de noi vase de sânge într-un proces numit neovascularizare. Aceste vase de sânge pot fi văzute clar prin reglarea laserului la frecvența de absorbție a hemoglobinei. Studiile preliminare sugerează că utilizarea imagisticii fotoacustice pentru a evidenția neovascularizarea ar putea fi mai eficientă la detectarea cancerului de sân decât mamografia cu ultrasunete. În plus, spre deosebire de razele X, scanarea CT și scanarea PET, imagistica fotoacustică nu expune pacienții la radiație potențial dăunătoare.

 


Comparație între imagini obținute prin raze X și prin imagistică fotoacustică. Credit: Heijblom et al. (2016) European Radiology, CC BY-NC 4.0


 
O altă aplicație este detectarea arteriosclerozei - îngroșarea și întărirea arterelor, care este adesea un precursor al bolilor de inimă sau al accidentului vascular cerebral. Pentru aceasta, imagistica trebuie făcută printr-un endoscop echipat cu o fibră optică. Placa grasă care se formează pe interiorul pereților arteriali în arterioscleroză este ușor de distins de țesutul normal, deoarece are un spectru diferit de absorbție. Din nou, cercetările preliminare promit un diagnostic mai precis.


Aplicații în cercetare

    
Unele provocări științifice sunt cel mai bine rezolvate prin folosirea șoarecilor și a șobolanilor, nu prin studierea directă a corpului uman. Rozătoarele sunt animale de laborator importante în biologia cancerului și, de asemenea, în neuroștiință, iar dimensiunile lor mici fac ca imagistica anatomiei lor interne să fie relativ ușoară, deoarece lumina nu trebuie să pătrundă foarte adânc. Un număr de studii privind cancerul care implică fotoacustica au fost deja efectuate pe șoareci: de exemplu, urmărirea creșterii și progresiei tumorilor.

Utilizarea rozătoarelor pentru cercetare ne permite, de asemenea, să investigăm modul în care funcționează creierul mamiferelor. Există aproximativ 80 de miliarde de neuroni în creierul uman, dar creierul șoarecelui are doar aproximativ 70 de milioane, ceea ce face mult mai ușoară imagistica lui detaliată. Până în prezent, studiile despre creierul rozătoarelor s-au bazat pe tehnologiile imagistice care dezvăluie diferite părți ale creierului care se "luminează" în timp ce funcționează. Experimentele tipice implică stimularea unui șoarece cu mirosuri, sunete sau stimuli vizuali și apoi imagistica întregului creier pentru a vedea unde sunt procesate informațiile senzoriale. Tehnologia standard de imagistică utilizată pentru aceasta este RMN-ul funcțional (fRMN). Cu toate acestea, pe lângă faptul că are o rezoluție spațială destul de slabă, fRMN-ul nu dezvăluie în mod direct ce neuroni sunt activi - numai ce zone ale creierului consumă cea mai mare cantitate de energie, reprezentat de consumul lor de oxigen în timp real. Această limitare a motivat oamenii de știință să dezvolte tehnici mai bune pentru a vizualiza activitatea neuronală mai direct. În tomografia fotoacustică, acest lucru se realizează prin înregistrarea schimbării concentrațiilor de calciu din interiorul neuronilor individuali.

Tomografia fotoacustică pe rozătoare promite să fie o unealtă foarte folositoare, datorită capacităților sale 3D, câmpului larg de vedere și a rezoluției sale înalte. În principiu, este posibil să fie cuprins întregul creier al animalelor în timp ce se mișcă liber, căutând drumul printr-un labirint sau rezolvând alte puzzle-uri. În acest moment, imagistica fotoacustică nu dispune de rezoluția necesară pentru a înregistra funcția întregului creier, la nivelul neuronilor individuali, dar la nivel mondial sunt în derulare numeroase proiecte de cercetare pentru a atinge acest scop.

Traducere: Photoacustics, CC-BY


Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!