Man mano che la temperatura aumenta, l'ampiezza del segnale PA aumenta, e il tempo di volo acustico tra i due limiti diminuisce. Le A-line sono state allineate al limite superiore per una migliore visualizzazione del cambiamento del tempo di volo acustico. I segnali rappresentativi delle A-line a 28°C e 46°C mostrano chiaramente i cambiamenti nell'ampiezza del segnale PA e nel tempo di volo acustico. Inoltre, le temperature TEMPT (mostrate in colore) sono sovrapposte alle corrispondenti immagini ecografiche (mostrate in scala di grigio). Le temperature TEMPT nel focus HIFU [rappresentato dalla casella rossa in (a)] e in una zona rappresentativa di tessuti circostanti [casella blu in (a)] vengono analizzate in funzione del tempo di riscaldamento.

La Tomografia Acustica a Immagine (PAM) non ha ancora fatto il suo ingresso nell'ambito clinico, ma i sistemi basati su PAM sono ampiamente sviluppati per applicazioni in campi come la neuroscienza, la biologia del cancro per la microangiografia, l'imaging funzionale, l'istologia e la dermatologia. Questi sviluppi sono stati possibili grazie alla capacità della PAM di fornire immagini ad alta risoluzione e profondità, permettendo la visualizzazione di parametri funzionali complessi come la saturazione di ossigeno (sO2), il flusso sanguigno cerebrale (CBF), la velocità del flusso, la frazione di estrazione dell'ossigeno (OEF) e il tasso metabolico cerebrale di ossigeno (CMRO2). La capacità di visualizzare dettagli più approfonditi rispetto ad altre tecniche tradizionali come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e la microscopia a due fotoni rende la PAM uno strumento promettente per lo studio della vascolarizzazione e della neurobiologia.

Microangiografia in Biologia del Cancro e Neuroscienza

Uno degli aspetti distintivi della biologia del cancro e della neurobiologia è la formazione di neovasi, che forniscono i nutrienti alle cellule tumorali in crescita e ai tessuti nervosi danneggiati. La PAM si rivela uno strumento utile per monitorare questo processo di angiogenesi. Ad esempio, è stato impiegato per monitorare la risposta della rete vascolare tumorale a singole esposizioni a diverse dosi di radiazioni ionizzanti in un modello murino di carcinoma del colon (CT26), come illustrato in uno studio che ha utilizzato diciotto topi femmina Balb/c di sei settimane. In questo contesto, la densità vascolare è chiaramente visibile come percentuale dell'area tumorale occupata dai vasi sanguigni. Inoltre, PAM ha mostrato successo nel visualizzare l'angiogenesi di un tumore in crescita nella rete vascolare orale umana e nel tumore murino LS174 T.

La PAM è particolarmente utile nel monitorare la rete vascolare dei tumori e delle aree cerebrali, superando le limitazioni delle tecniche convenzionali, come la fMRI, che offre una risoluzione spaziale inferiore e una profondità di imaging più ridotta. Il miglioramento della risoluzione e della capacità di penetrazione della PAM permette di osservare dinamicamente l’attività emodinamica cerebrale e il flusso sanguigno nei vasi cerebrali con una precisione senza precedenti.

Applicazioni nella Chirurgia del Cancro al Seno

La PAM sta emergendo come strumento per ottimizzare le procedure di resezione tumorale nel cancro al seno. La chirurgia conservativa del seno (BCS) riduce il rischio di recidiva e gli effetti collaterali cosmetici, grazie all'analisi immediata dei tessuti resecti tramite l'analisi intraoperatoria mediante sezioni congelate (FSA). Tuttavia, la difficoltà di congelare e interpretare il tessuto adiposo nel seno rimane una sfida, specialmente in contesti come la BCS. La PAM potrebbe semplificare questo processo, poiché è in grado di immaginare i nuclei cellulari attraverso l’eccitazione con lunghezze d'onda UV, che sono fortemente assorbite dal DNA e RNA nei nuclei cellulari. Un caso di studio ha utilizzato la PAM UV per visualizzare il tumore del seno, distinguendo la forma dei singoli nuclei cellulari con una risoluzione straordinaria di 330 nm, e ha permesso di differenziare il tumore dal tessuto sano.

Neovascolarizzazione Retinica

La neovascolarizzazione retinica (RNV) è una delle principali cause di perdita della vista e cecità, ed è legata a malattie retiniche come la retinopatia diabetica proliferativa, la retinopatia da prematurità e l’occlusione della vena retinica. Grazie alla sua alta trasparenza ottica, l'occhio è un ambiente ideale per l'applicazione della PAM nella diagnostica. Studi precedenti hanno utilizzato la PAM per esaminare la crescita della RNV, sia prima che dopo l'iniezione del fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF), con una risoluzione di 20,5 μm. Le immagini ottenute hanno mostrato chiaramente la vascolarizzazione retinica nella zona di interesse. La sensibilità della PAM all'emoglobina la rende un utile strumento per quantificare la RNV, consentendo di estrarre informazioni sulle vene retiniche nei vari strati della retina.

Dermatologia e Dermatologia Vascolare

Nel campo della dermatologia, le tecniche tradizionali come la dermoscopia e la visione umana sono limitate nella profondità di imaging e nel contrasto ottico. Al contrario, la PAM consente di visualizzare cromofori come la melanina e l'emoglobina, rendendo questo strumento un'opzione promettente per nuovi sistemi di dermoscopia. Studi recenti hanno utilizzato la PAM per esaminare la microvascolatura cutanea a una profondità di circa 4 mm, distinguendo la dermis papillare, il plesso vascolare superficiale e il tessuto sottocutaneo. Poiché molte anomalie cutanee sono associate a irregolarità vascolari, la PAM potrebbe risultare utile nel monitoraggio dei cambiamenti vascolari e nel miglioramento della diagnosi delle malattie cutanee. Inoltre, la PAM è stata utilizzata per osservare la risposta iperemica dopo riscaldamento locale della pelle del braccio umano, utilizzando sistemi come la raster-scan PA mesoscopia.

Il potenziale della PAM come strumento diagnostico e di ricerca in dermatologia si espande anche nello studio della biologia e fisiologia della pelle. La sua applicazione alla caratterizzazione della vascolarizzazione dermica attiva nella psoriasi e ad altre condizioni cutanee sottolinea come questa tecnologia possa aprire nuove frontiere nella comprensione e nella gestione delle malattie dermatologiche.

Quali sono i materiali più efficaci per la creazione di modelli di tessuti per l’imaging fotoacustico?

L’imaging fotoacustico rappresenta una delle tecnologie emergenti più promettenti nell’ambito della diagnostica medica, poiché unisce le capacità di immagini acustiche e ottiche, permettendo una visualizzazione dettagliata dei tessuti biologici. Per migliorare e calibrare questi sistemi diagnostici, sono necessari modelli di tessuti che simulino accuratamente le proprietà fisiche e ottiche dei tessuti umani. Questi modelli, noti come "phantom", sono fondamentali per la calibrazione degli strumenti e per lo sviluppo di nuove tecniche.

Esistono diverse soluzioni per la creazione di questi phantoms, ciascuna con caratteristiche uniche che rispondono a specifiche necessità tecniche. I materiali più comunemente utilizzati includono idrogel di poliacrilamide, polivinilalcool (PVA), gel di cera e composti a base di silicone, che vengono scelti in base alle loro proprietà fisiche, come la densità, l'elasticità, e la capacità di simularne le proprietà ottiche, come l’assorbimento e la diffusione della luce.

L’idrogel di poliacrilamide è uno dei materiali preferiti per la creazione di phantoms utilizzati nella fotoacustica. È particolarmente apprezzato per la sua stabilità e per la capacità di simulare il comportamento acustico dei tessuti molli. Altri materiali, come il PVA, sono impiegati per la creazione di phantoms per la mammografia fotoacustica, grazie alla loro somiglianza con i tessuti adiposi e ghiandolari del seno umano. Questi phantoms sono essenziali per testare la qualità delle immagini ottenute dai sistemi di imaging fotoacustico e per la calibrazione di diversi parametri come la profondità, la risoluzione spaziale, e la sensibilità alla luce.

I phantoms in silicone organosiliconico, grazie alla loro versatilità, vengono utilizzati per simulare i tessuti biologici con caratteristiche ottiche e acustiche variabili, permettendo di adattarsi a diversi scenari di imaging. Tali materiali sono particolarmente utili quando si desidera analizzare la risposta di un sistema di imaging a differenti livelli di assorbimento e diffusione della luce. Inoltre, la loro resistenza e durabilità li rende adatti per utilizzi ripetuti.

Il miglioramento delle caratteristiche fisiche ed ottiche di questi phantoms è costante. Un esempio recente include la creazione di phantoms ibridi composti da materiali organosiliconici combinati con polialcoli, che migliorano le proprietà acustiche e ottiche, ampliando le possibilità di test per l'imaging fotoacustico. L'uso di glicerolo in gel a base di olio è un altro esempio di materiale innovativo che offre una maggiore stabilità e prestazioni ottiche superiori per applicazioni fotoacustiche.

Inoltre, la personalizzazione dei phantoms per specifiche esigenze diagnostiche è un aspetto fondamentale nella ricerca e nello sviluppo di nuovi sistemi di imaging. Ad esempio, la possibilità di calibrare i phantoms in base a specifiche lunghezze d'onda o in relazione a determinate tecniche di imaging consente di ottenere risultati più precisi e significativi nelle indagini mediche.

Oltre a questi materiali di base, l'uso di phantoms con caratteristiche anatomiche realistiche è diventato un obiettivo importante. La stampa 3D ha aperto nuove possibilità per creare modelli personalizzati che non solo simulano le proprietà fisiche dei tessuti, ma anche la loro geometria. Tali phantoms anatomici possono essere impiegati per simulare organi e strutture interne del corpo umano, consentendo una valutazione ancora più precisa delle capacità diagnostiche dei sistemi fotoacustici.

È essenziale comprendere che, mentre i phantoms rappresentano una simulazione avanzata dei tessuti biologici, nessun modello può replicare completamente la complessità e la variabilità dei tessuti reali. Ogni tipo di phantom ha i suoi limiti e deve essere scelto in base alle specifiche applicazioni cliniche o di ricerca. I ricercatori devono quindi considerare attentamente le caratteristiche del materiale, la sua stabilità nel tempo e la sua capacità di rispondere correttamente alle diverse lunghezze d'onda utilizzate nel fotoacustico.

In sintesi, lo sviluppo e l’utilizzo di phantoms rappresentano un passo fondamentale per migliorare l’efficacia e l'affidabilità delle tecniche di imaging fotoacustico. La scelta dei materiali giusti, la progettazione personalizzata e la continua innovazione nella creazione di phantoms sono elementi cruciali per il progresso delle applicazioni diagnostiche in ambito medico.

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