Come l’Imaging Fotoacustico Sta Rivoluzionando la Diagnosi di Ipossia e Malformazioni Vascolari

L'ipossia, che si riferisce a una riduzione dei livelli di ossigeno nei tessuti, è un biomarcatore cruciale per il monitoraggio dell'insorgenza e della progressione di numerose malattie, tra cui il cancro. L'imaging fotoacustico (PA) multispettrale si è rivelato estremamente efficace nel rilevare non invasivamente la saturazione relativa di ossigeno dell'emoglobina e l'ipossia in vivo, sfruttando le differenze spettrali tra emoglobina ossigenata e deossigenata. Studi recenti hanno dimostrato il potenziale di sistemi avanzati di imaging PA a LED per monitorare la vascolarizzazione periferica e la saturazione di ossigeno in tempo reale, come illustrato da Zhu et al., che hanno applicato una combinazione di LED e ultrasuoni per visualizzare i vasi sanguigni periferici e la pulsazione arteriosa in una sezione longitudinale del dito umano.

Le immagini PA ottenute con l’utilizzo di barre LED a due lunghezze d'onda (850 nm e 690 nm) hanno fornito dati fondamentali sulla saturazione di ossigeno nel sangue, che sono stati correlati con le letture di un ossimetro da dito, considerato lo standard di riferimento. Questi risultati hanno rivelato una correlazione molto forte (R-squared ~0,98) tra le misurazioni della saturazione di ossigeno tramite imaging PA e quelle rilevate dall'ossimetro, confermando la validità dell’imaging fotoacustico come metodo di monitoraggio non invasivo in tempo reale.

Un aspetto fondamentale di questa tecnologia è la capacità di visualizzare in 3D la vascolarizzazione periferica. Recentemente, Kuniyil Ajith Singh et al. hanno esplorato la possibilità di ottenere immagini 3D della vascolarizzazione umana con il sistema AcousticX, riuscendo a risolvere dettagli minuziosi dei vasi sanguigni a una risoluzione spaziale di circa 200 μm. L'uso di un algoritmo per la soppressione del segnale PA dalla pelle, insieme a nuove mappe cromatiche, ha permesso di ottenere immagini estremamente dettagliate dei vasi sanguigni in 3D.

Anche nell’ambito delle malattie infiammatorie, come l’artrite reumatoide, l’imaging fotoacustico ha trovato una sua applicazione significativa. La capacità di rilevare la vascolarizzazione iperplastica e l’ipossia, che sono marker precoci dell'infiammazione, rende questa tecnologia molto promettente per la diagnosi precoce di malattie infiammatorie. Studi clinici hanno dimostrato che l'imaging PA a LED può rilevare con maggiore sensibilità i microvasi angiogenici rispetto all’imaging Doppler convenzionale, migliorando la capacità di distinguere tra articolazioni sane e quelle affette da artrite attiva o subclinica. La combinazione di PA e US ha quindi il potenziale di diventare uno strumento accessibile per il monitoraggio delle patologie articolari e per la diagnosi precoce.

Queste applicazioni mostrano chiaramente come l’imaging fotoacustico possa rappresentare un avanzamento significativo nella diagnosi e nel monitoraggio di una varietà di malattie vascolari e infiammatorie. L'integrazione di tecniche avanzate come il LED-based PA imaging, con la sua capacità di fornire immagini dettagliate in 2D e 3D della vascolarizzazione e dei cambiamenti nei tessuti, promette di migliorare notevolmente la precisione diagnostica, riducendo la necessità di tecniche invasive e consentendo un monitoraggio più continuo e dinamico della salute del paziente.

A livello pratico, il passo successivo per l’adozione clinica di questa tecnologia riguarda l'ulteriore miglioramento della risoluzione spaziale, la riduzione del costo dei dispositivi e l'integrazione con altre tecnologie di imaging, come la risonanza magnetica (RM) o la tomografia a emissione di positroni (PET), per ottenere un quadro diagnostico ancora più completo. La sinergia tra queste tecnologie potrebbe portare a progressi rivoluzionari nel trattamento personalizzato delle malattie vascolari e infiammatorie.

Come la tecnologia LED sta rivoluzionando l'imaging fotoacustico (PAI) e le sue applicazioni cliniche

L’imaging fotoacustico (PAI), che combina i vantaggi delle tecniche di ultrasuoni (US) e ottiche, ha visto negli ultimi anni un’importante evoluzione grazie all'introduzione delle diodi a emissione di luce (LED). La possibilità di generare impulsi di luce a bassa energia con i LED apre nuove opportunità per applicazioni cliniche non invasive, ma presenta anche alcune sfide tecniche, che sono oggetto di studio per ottimizzare ulteriormente le prestazioni di imaging.

L’uso delle sonde a LED nell'imaging fotoacustico sta quindi emergendo come una tecnologia promettente per applicazioni cliniche di precisione, quali la guida di procedure minimamente invasive, la valutazione della saturazione di ossigeno nel sangue, la diagnosi e lo stadio dell'artrite infiammatoria, la valutazione vascolare periferica, il monitoraggio dell'angiogenesi e la guida in interventi chirurgici come l'anastrasi linfatico-venosa. Tali studi hanno mostrato una grande capacità di ottenere immagini a alta velocità con frame rates elevati, rispondendo in modo efficace alle necessità di applicazioni cliniche che richiedono alta risoluzione e rapida acquisizione dei dati.

La sicurezza è un altro aspetto cruciale, soprattutto quando si considerano le emissioni di luce delle LED. Poiché le LED emettono luce incoerente, sono applicabili gli standard di sicurezza stabiliti dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC 62471), che differiscono da quelli per i laser collimati. Questo rende l'imaging PA con LED sicuro sia per la pelle che per gli occhi. I valori di esposizione calcolati per l'illuminazione continua delle LED sui tessuti cutanei e sugli occhi sono ben al di sotto dei limiti di rischio termico stabiliti, garantendo un uso sicuro in applicazioni cliniche.

Nonostante queste promesse, l'imaging PA con LED presenta anche alcune limitazioni. La mancanza di una sintonizzazione spettrale, che limita la capacità di distinguere cromofori multipli, è una di queste. Inoltre, i LED, pur offrendo un’illuminazione a basso costo, hanno una potenza ottica inferiore rispetto ai sistemi laser, il che limita la loro capacità di penetrazione a profondità maggiori. Tuttavia, i vantaggi pratici, come la riduzione dei costi e la compattezza dei sistemi LED, li rendono una scelta interessante per applicazioni di imaging point-of-care, dove la portabilità e la facilità d'uso sono cruciali.

Alcuni studi preclinici e clinici, infatti, hanno evidenziato la versatilità delle applicazioni basate su LED, con applicazioni che spaziano dall’imaging dei vasi sanguigni periferici, alla diagnosi e al trattamento delle ulcere da pressione, fino alla visualizzazione di artrosi infiammatoria nelle articolazioni. Questi studi hanno mostrato che, utilizzando LED, si possono ottenere immagini ad alta risoluzione in tempo reale, utili per il monitoraggio non invasivo e la guida in tempo reale durante le procedure cliniche.

Inoltre, con l'avanzare delle tecnologie LED, si prevede che l'imaging PA diventerà un metodo sempre più utilizzato per il monitoraggio terapeutico, inclusi gli studi sui farmaci e il monitoraggio delle lesioni tumorali. Grazie alla possibilità di integrare facilmente la tecnologia LED con sistemi US clinici esistenti, l’imaging PA potrebbe vedere una rapida adozione nelle pratiche cliniche quotidiane.

Il futuro dell’imaging fotoacustico si prospetta dunque ricco di innovazioni. I miglioramenti della tecnologia LED ad alta potenza, come l’utilizzo di tecnologie a nano-struttura per ottimizzare l'output ottico, rappresentano una delle strade principali per superare le attuali limitazioni e rendere questa tecnica ancora più potente e versatile. L'adozione crescente di LED per applicazioni cliniche personalizzate o indossabili potrebbe, quindi, espandere significativamente il campo d'uso dell'imaging fotoacustico, rendendolo accessibile e praticabile per un ampio spettro di applicazioni terapeutiche e diagnostiche.