Come la tecnica fotoacustica può migliorare la diagnosi dell'osteoporosi: analisi spettrale e imaging osseo

La diagnostica fotoacustica (PA) si sta affermando come una delle tecniche più promettenti per l'analisi dei cambiamenti microstrutturali e biochimici nelle ossa, in particolare nel contesto dell'osteoporosi. Grazie alla sua capacità di fornire informazioni non invasive sulla composizione chimica e meccanica dell'osso, questa tecnologia si rivela fondamentale per la diagnosi e il trattamento delle malattie ossee. La tecnica si basa sulla generazione di onde fotoacustiche, che vengono analizzate per ottenere una serie di parametri quantitativi relativi alla densità minerale ossea (BMD), al contenuto di collagene e ad altri marcatori biochimici cruciali.

Un parametro importante derivato dall'imaging fotoacustico è il parametro di scattering normalizzato, che ha mostrato una buona correlazione con la frazione di volume osseo e il contenuto di collagene. Ad esempio, gli studi di Steinberg et al. hanno sviluppato un sistema a doppio modello PA e ultrasonico (US) multispettrale, in grado di fornire informazioni sulla composizione chimica dell'osso e sulla sua resistenza meccanica, analizzando l'ampiezza e la fase dei segnali PA a diverse lunghezze d'onda.

Una delle principali caratteristiche della PA è la sua capacità di non utilizzare radiazioni ionizzanti, una qualità che rende questa tecnica particolarmente adatta per il monitoraggio e la diagnosi dell'osteoporosi, evitando i rischi associati a tecniche come i raggi X o la tomografia computerizzata (CT). La capacità di penetrare a fondo nelle strutture ossee calcaree e non calcaree rende l'analisi PA estremamente utile per una varietà di malattie ossee, inclusa l'osteoporosi.

Tuttavia, la struttura ossea trabecolare, caratterizzata da un reticolo solido-liquido e una porosità distribuita, rende più complesso il processo di analisi quantitativa. Per affrontare questa difficoltà, Yu et al. hanno proposto un sistema di eccitazione eccentrica con rilevamento differenziale, che permette di ottenere uno spettro di attenuazione differenziale fotoacustica (PA-DAS). Questo approccio ha mostrato una forte correlazione tra la porosità dell'osso trabecolare e la pendenza dello spettro, suggerendo che il metodo PA-DAS può essere utilizzato per una valutazione quantitativa efficace della microstruttura ossea.

L'analisi fotoacustica bidimensionale si è rivelata fondamentale per comprendere la complessità della struttura ossea. Essendo l'osso trabecolare un materiale solido-liquido con caratteristiche di assorbimento ottico non stazionarie, i segnali PA ricevuti dai sensori contengono informazioni sulla distribuzione spaziale dell'assorbimento ottico, sull'attenuazione del segnale durante la propagazione e sui cambiamenti molecolari associati al metabolismo osseo. Un'analisi combinata dei segnali PA in diversi domini, come il dominio temporale e frequenziale, permette di ottenere parametri altamente correlati alla salute dell'osso.

L'analisi spettro-temporale dei segnali PA, proposta da Xie et al., ha mostrato la possibilità di ottenere una valutazione quantitativa di vari parametri ossei, tra cui il contenuto di collagene, la dimensione delle trabecole ossee, e la densità minerale ossea (BMD). Attraverso questa analisi, è possibile estrarre parametri come il rapporto energetico a diverse lunghezze d'onda e la frequenza media ponderata della potenza (PWMF), che forniscono informazioni dettagliate sulla microstruttura dell'osso e sul suo stato chimico.

Un altro approccio innovativo proposto da Feng et al. prevede l'uso della spettroscopia fotoacustica per caratterizzare la microstruttura dell'osso e il contenuto di biomarcatori molecolari. Questo metodo, attraverso l'analisi simultanea di segnali PA, consente di ottenere informazioni su vari componenti ossei, tra cui collagene, matrice ossea, cluster di lipidi e midollo osseo. L'approccio combinato con tecniche di classificazione basate sull'apprendimento automatico ha dimostrato di migliorare notevolmente l'accuratezza nella valutazione della salute dell'osso, rendendo la spettroscopia fotoacustica una potente alternativa alle tecniche di imaging tradizionali, come la DEXA e la micro-CT.

La capacità della PA di generare onde guida simili a quelle ultrasoniche, sensibili anche alle proprietà ottiche dell'osso, la rende utile per l'analisi della struttura e delle proprietà elastiche dell'osso corticale. La ricerca di Chen et al. ha mostrato che la trasmittanza della luce nell'osso corticale ha una buona correlazione con i parametri dello spettro delle onde fotoacustiche, suggerendo che l'analisi PA delle onde guida potrebbe fornire informazioni preziose sulla struttura e sull'elasticità dell'osso corticale, rendendo questa tecnica particolarmente interessante per la diagnosi dell'osteoporosi.

La combinazione dell'imaging fotoacustico con l'analisi spettrale a più lunghezze d'onda ha il potenziale di rivoluzionare la diagnosi delle malattie ossee, in particolare per la valutazione della salute dell'osso senza l'uso di radiazioni dannose. Il miglioramento della qualità diagnostica, unito alla capacità di analizzare simultaneamente la microstruttura e la composizione chimica dell'osso, offre un'alternativa significativa alle tradizionali tecniche diagnostiche, consentendo diagnosi più precise e meno invasive.

Come migliorare l'imaging istologico intraoperatorio con tecniche avanzate di fotoacustica UV

Li et al. hanno sviluppato un sistema di PAM a modalità riflessione con eccitazione UV e un trasduttore ultrasonico a forma di anello, che consente di ottenere immagini ad alta risoluzione in tempo reale. Questo approccio è stato progettato per l'imaging istologico intraoperatorio in modo da combinare immagini greyscale originali con immagini virtualmente colorate grazie all'algoritmo di deep learning, creando così una risorsa utile per il medico durante le operazioni. L'aspetto innovativo di questa tecnologia risiede nella sua capacità di fornire immagini "senza etichetta", cioè senza l'uso di coloranti o marcatori, riducendo la necessità di preparazioni aggiuntive e aumentando l'efficienza.

Come l’Imaging Fotoacustico Basato su LED Può Trasformare la Medicina Rigenerativa e il Monitoraggio della Vascolarizzazione

L'utilizzo dell’imaging fotoacustico (PA) con miglioramento del contrasto nella visualizzazione della vascolarizzazione è una pratica consolidata in medicina. La capacità di monitorare e mappare con precisione la rete vascolare in contesti preclinici e clinici rappresenta una risorsa fondamentale, particolarmente per il monitoraggio dell'angiogenesi e delle terapie regenerative. La ricerca di XavierSelvan et al., ad esempio, ha esplorato l’efficacia del sistema LED-PA nell’imaging della vascolarizzazione tumorale con contrasto. Nel loro studio, xenotrapianti di tumori sottocutanei di testa e collo (FaDu) su topi nudi sono stati monitorati mediante il sistema AcousticX, rivelando una densità vascolare eterogenea all’interno del tumore. Questo approccio ha dimostrato la capacità di estrarre informazioni vascolari da tessuti a profondità superiori a 1 cm, con una notevole precisione anche nelle immagini di vascolarizzazione a livello del tumore.

Un altro significativo campo di applicazione di questo tipo di imaging riguarda il monitoraggio non invasivo dell'angiogenesi, un processo essenziale per il successo dell'integrazione di impianti ingegnerizzati nel flusso sanguigno ospite. La ricerca di Zhu et al. ha esplorato l'utilizzo del sistema PA-US (ultrasuoni-fotoacustico) a LED per osservare la neo-vascolarizzazione di scaffolds a base di fibrina impiantati sotto pelle nei topi. Utilizzando questo sistema durante un periodo di 7 giorni, i ricercatori hanno osservato l’evoluzione della densità vascolare e l’intensità della perfusione, identificando differenze tra le aree superiori e inferiori dello scaffold. Le immagini fotoacustiche hanno rivelato le modificazioni della vascolarizzazione in modo più profondo rispetto ad altri metodi come l'analisi del contrasto del laser speckle (LASCA), che è limitata per profondità e sensibilità. Questo studio evidenzia come l'imaging PA basato su LED possa servire come uno strumento altamente sensibile per il monitoraggio non invasivo della vascolarizzazione profonda in contesti rigenerativi.

L’imaging PA può anche essere applicato al monitoraggio delle ulcere da pressione, come dimostrato dallo studio di Hariri et al., che ha utilizzato un modello murino per monitorare i danni tissutali causati dalla pressione. Con l’applicazione di un magnete esterno e l’induzione di cicli di pressione, il sistema PA basato su LED è stato in grado di rilevare modifiche nei tessuti prima che queste fossero visibili ad occhio nudo. Questo approccio non invasivo ha rivelato un aumento significativo del segnale PA nelle ulcere di stadio I, suggerendo che l’imaging PA potrebbe essere utilizzato come strumento diagnostico per la rilevazione precoce e il monitoraggio delle ulcere da pressione.

In tutte queste applicazioni, l'uso del LED per la generazione di segnali fotoacustici offre vantaggi significativi in termini di costo e accessibilità, senza compromettere la qualità delle informazioni ottenute. Nonostante i progressi, è fondamentale continuare a esplorare le limitazioni di profondità e risoluzione in diversi tipi di tessuti e patologie. In questo senso, la combinazione di PA con altre tecniche di imaging, come l'ultrasonografia, potrebbe portare a miglioramenti nelle capacità diagnostiche e terapeutiche, aumentando la sensibilità e la precisione complessiva degli strumenti disponibili.

Quali sono le potenzialità e le applicazioni emergenti dell'imaging fotoacustico?

Ad esempio, le immagini fotoacustiche sono state confrontate con immagini istologiche per garantire che le immagini PA corrispondano correttamente all'anatomia studiata. In particolare, nel caso dei lesioni corticali superficiali indotte nel cervello dei ratti, si è osservato un contrasto compreso tra 1,7 e 5,2, con una notevole differenza rispetto ai tessuti circostanti. Questo dimostra la capacità del sistema di evidenziare anomalie anatomiche in modo dettagliato.

Un altro esempio significativo dell’utilizzo di PA è l’imaging funzionale, che è stato testato in esperimenti di stimolazione dei baffi nei ratti. In questi esperimenti, le immagini PA acquisite durante la stimolazione dei baffi mostrano cambiamenti nei modelli di attivazione, correlati a variazioni nella emodinamica durante l'attività. Questo conferma che il sistema PA è in grado di rilevare modifiche nel flusso sanguigno, un aspetto cruciale per lo studio delle risposte fisiologiche in tempo reale.

In uno studio sulle emodinamiche cardiache, è stato utilizzato l’imaging volumetrico PA per esaminare il cuore di ratti sani, obesi e ipertesi. È stato osservato che durante la sistole ventricolare, i segnali PA variavano a seconda delle condizioni patologiche dei ratti, mostrando come l’accumulo di grasso nelle arterie influenzi il comportamento del flusso sanguigno. Questo approccio potrebbe rivelarsi cruciale per monitorare il rischio di malattie cardiovascolari e per la diagnosi precoce di patologie cardiache.

L’imaging fotoacustico è stato anche impiegato per monitorare in tempo reale l’ablazione laser dei tumori. In un esperimento sui topi, le cellule tumorali del cancro alla mammella sono state trattate con un laser pulsato, e il segnale PA risultante ha mostrato in tempo reale la disintegrazione dei vasi sanguigni nel tumore. Questo dimostra l’efficacia della PA nel fornire informazioni precise durante interventi terapeutici, migliorando la pianificazione e il monitoraggio del trattamento.

Le recenti innovazioni includono anche l’integrazione dell’imaging PA con altre tecniche di imaging, come la risonanza magnetica (MRI). Ad esempio, sono stati sviluppati sistemi che combinano PA e MRI per ottenere immagini più dettagliate e complementari delle neoplasie. L’integrazione delle due tecnologie consente di visualizzare non solo la struttura anatomica, ma anche informazioni funzionali cruciali come l’ossigenazione del sangue, importante per lo studio dei tumori e delle malformazioni vascolari.

Un altro approccio innovativo ha visto l'uso di microbolle approvate per l'uso clinico, al fine di migliorare la qualità dei segnali PA nei vasi sanguigni. L’utilizzo delle microbolle consente di visualizzare meglio le strutture vascolari, che altrimenti sarebbero difficili da individuare, migliorando la risoluzione delle immagini. Questo avanzamento potrebbe rivelarsi fondamentale per applicazioni cliniche che richiedono un'alta precisione nella visualizzazione dei vasi sanguigni, come nella diagnostica del cancro e delle malattie cardiovascolari.

L’imaging fotoacustico ha anche trovato applicazione nell’analisi di malattie neurologiche, come l’ictus ischemico. Studi condotti su topi hanno dimostrato la capacità di PA di rilevare cambiamenti nei vasi sanguigni e nelle aree ischemiche del cervello, utilizzando una tecnica di occlusione arteriosa. I segnali PA acquisiti post-occlusione mostrano chiaramente le differenze di intensità tra i vari emisferi cerebrali, permettendo di monitorare la progressione della malattia e l’efficacia dei trattamenti.

L’adozione della fotoacustica nella pratica clinica umana è già in fase di sviluppo. Pan et al. hanno proposto l’uso della realtà aumentata per visualizzare i vasi sanguigni nel braccio umano, combinando immagini PA con sistemi di tracciamento basati sulla visione. Questo approccio apre nuove prospettive per l'uso clinico di PA nella diagnosi di malattie vascolari e in interventi chirurgici minimamente invasivi. Inoltre, l’imaging PA è stato testato su pazienti con tumori al seno, mostrando la sicurezza della tecnica durante l’intervento e l’assenza di danni termici o laser nei tessuti.

L’imaging fotoacustico rappresenta un campo in rapida evoluzione che potrebbe rivoluzionare la diagnostica medica, grazie alla sua capacità di fornire immagini dettagliate sia strutturali che funzionali. Tuttavia, per una sua completa applicazione clinica, è fondamentale sviluppare sistemi ancora più precisi e sensibili, che possano essere facilmente integrati con altre tecniche di imaging per ottenere una visione complessiva dello stato di salute del paziente.

Come migliorare l'efficienza e la potenza degli ultrasuoni ottici: materiali e tecniche innovative

Nei recenti sviluppi delle tecnologie per la generazione di ultrasuoni ottici (OpUS), i compositi costituiti da materiali come oro (Au) e carbonio hanno attirato una crescente attenzione per la loro elevata capacità di assorbire radiazioni ottiche e generare onde acustiche ad alte frequenze. Tra i vari approcci, l’uso di compositi a base di multi-wall carbon nanotubes (MWCNT), fibre di carbonio (CNF) e particelle di nanostrutture di fuliggine (CSNPs) ha mostrato notevoli vantaggi in termini di efficienza e pressione degli ultrasuoni.

Il composito formato da un array d’oro ricoperto da un film di PDMS (polidimetilsilossano) e un film di cromo ha mostrato capacità di generare ultrasuoni a frequenze fino a 120 MHz. Tuttavia, quando sono stati confrontati i compositi Au-PDMS con quelli a base di MWCNT-PDMS, quest’ultimi hanno prodotto pressioni ultrasoniche più di due volte superiori. In particolare, lo spettro di potenza del MWCNT-PDMS assomigliava strettamente a quello del impulso laser in ingresso, dimostrando la dipendenza del meccanismo di generazione della frequenza acustica dall'impulso laser utilizzato. Questo fenomeno è cruciale per comprendere come la scelta del materiale e le caratteristiche dell’impulso laser possano influenzare significativamente la produzione di ultrasuoni.

Recentemente, le particelle di nanostruttura di fuliggine (CSNP) hanno suscitato un crescente interesse per la loro capacità di assorbire radiazioni ottiche e generare ultrasuoni. La sintesi di CSNP può essere realizzata facilmente attraverso un processo a bassa temperatura, utilizzando il fumo di una candela come fonte per produrre nanoparticelle che vengono poi trasferite su substrati specifici. Questo approccio, oltre ad essere economico, consente di ottenere strati di CSNP con spessori che possono essere regolati in modo preciso, influenzando direttamente la quantità di energia termica trasferita e la generazione degli ultrasuoni. Quando un composito bilayer CSNP-PDMS è stato irradiato con un laser di 532 nm, sono state registrate pressioni ultrasoniche di 4.8 MPa a una distanza di 4.2 mm. Questo risultato è stato circa il doppio di quello ottenuto utilizzando il composito CNF-PDMS, con una banda di frequenza degli ultrasuoni che è risultata essere tra 21 MHz e 10 MHz. La conversione fotoacustica di questo composito ha mostrato una sorprendente efficienza, superiore di quasi 3 volte rispetto ai compositi a base di MWCNT-PDMS.

Un altro approccio interessante riguarda l’uso di grafene ridotto (rGO), che offre vantaggi significativi grazie alla sua maggiore conducibilità termica, superficie maggiore e robustezza meccanica. L’integrazione di rGO con un sottile strato di alluminio ha prodotto un trasmettitore OpUS ad alte prestazioni, grazie all’elevato assorbimento ottico e alla ridotta riflessione ottica da parte dello strato di alluminio, portando a un miglioramento delle prestazioni.

In generale, l’approccio alla generazione di OpUS sta evolvendo verso l’uso di materiali più economici e facili da sintetizzare, senza compromettere le prestazioni. L'efficienza nella conversione fotoacustica, la gestione termica e l'interfaccia tra i materiali sono fattori cruciali da considerare per ottenere risultati ottimali. Sia che si tratti di MWCNT, CNF, CSNP o grafite, la scelta del materiale e della tecnica di sintesi sono determinanti per il successo delle applicazioni OpUS.