La tomografía fotoacústica cuantitativa (QPAT) es una técnica de imágenes médicas que combina señales fotoacústicas inducidas por láser y detección por ultrasonido para crear imágenes tridimensionales detalladas de tejidos biológicos. El proceso consiste en irradiar tejidos biológicos con pulsos láser cortos. Estos pulsos son absorbidos por moléculas que absorben la luz (cromóforos) dentro de los tejidos, lo que provoca un calentamiento rápido y la generación de ondas ultrasónicas o señales acústicas.
La distribución resultante de la presión acústica se mide y registra a lo largo del tiempo, formando una serie temporal fotoacústica que se utiliza para reconstruir una imagen tridimensional del tejido. En la tomografía fotoacústica, los pulsos láser se dispersan en un área de tejido más amplia en lugar de centrarse en una región específica. Para producir la imagen final del tejido, es fundamental estimar las propiedades ópticas de los tejidos a partir de las series temporales fotoacústicas medidas.
En una revisión publicada en el Journal of Biomedical Optics (JBO) , Tanja Tarvainen de la Universidad del Este de Finlandia y Ben Cox del University College London analizan la parte óptica o aspecto de generación de imágenes de QPAT.
"Nuestro estudio se centra en las matemáticas de la parte óptica", afirma Tarvainen. "Estudia el pensamiento actual sobre dos problemas relacionados:¿cuál es la mejor manera de describir matemáticamente la propagación de la luz y su interacción con el tejido biológico? Dadas las mediciones fotoacústicas, ¿qué podemos aprender, en principio, sobre las propiedades ópticas del tejido, o incluso sobre las propiedades ópticas del tejido? ¿Propiedades relacionadas y más clínicamente relevantes, como la oxigenación de la sangre?"
La revisión comienza presentando modelos matemáticos comúnmente utilizados para describir la propagación de la luz y el sonido en tejidos biológicos, específicamente la ecuación de transferencia radiativa (RTE) y sus aproximaciones. Estas ecuaciones describen el movimiento de la luz a través de un medio, considerando su absorción, dispersión y emisión. En QPAT, el RTE sirve como modelo para comprender cómo interactúa la luz con los tejidos biológicos, asumiendo la energía constante de los fotones durante las colisiones elásticas y un índice de refracción constante del medio.
Luego, la revisión presenta el parámetro Grüneisen, que vincula la energía óptica absorbida por los tejidos con la distribución de presión acústica inicial. También se destacan las ecuaciones para la propagación de ondas acústicas en tejidos biológicos.
A continuación, los investigadores analizan el problema fotoacústico inverso que implica estimar las concentraciones de moléculas que absorben luz en los tejidos biológicos. Hay dos problemas inversos en QPAT. En el problema acústico inverso, la distribución de la presión acústica se determina a partir de la serie temporal fotoacústica medida.
Sin embargo, esta revisión se centra en el problema óptico inverso, donde las distribuciones de parámetros ópticos se estiman a partir de la densidad de energía óptica absorbida. Resolver problemas inversos es importante para obtener estimaciones precisas de parámetros clínicamente importantes, como las concentraciones de oxihemoglobina y desoxihemoglobina, que son indicadores de los niveles de saturación de oxígeno en sangre.
Los autores describen dos enfoques para el problema óptico inverso en QPAT:una estimación directa de las concentraciones de cromóforos a partir de datos de densidad de energía óptica absorbida y un proceso de dos etapas que implica la recuperación de los coeficientes de absorción, seguido de una inversión espectroscópica para calcular la concentración.
Finalmente, la revisión analiza los desafíos asociados con la implementación práctica de QPAT. Estos incluyen abordar el efecto de la dispersión óptica, considerar la variación en la absorción de energía óptica por los tejidos (efecto de fluencia), la necesidad de métodos computacionales intensivos e incertidumbres en los parámetros que se utilizan como entradas para los modelos, como el Grüneisen. parámetro.
"Aunque QPAT es una metodología prometedora para proporcionar imágenes 3D de alta resolución de parámetros fisiológicamente relevantes, hay muchos desafíos basados en modelos computacionales que deben abordarse antes de que la técnica pueda desarrollarse como una herramienta clínica o preclínica estándar", dice Tarvainen.
QPAT es muy prometedor para el diagnóstico y la obtención de imágenes médicas no invasivas. Los temas tratados en la presente revisión pueden guiar el desarrollo de estrategias para mejorar la precisión y confiabilidad de QPAT en escenarios del mundo real.
Más información: Tanja Tarvainen et al, Tomografía fotoacústica cuantitativa:modelado y problemas inversos, Revista de Óptica Biomédica (2023). DOI:10.1117/1.JBO.29.S1.S11509
Información de la revista: Revista de Óptica Biomédica
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