I sistemi fotoacustici, come quelli utilizzati in modalità PAT (tomografia a fotoacustica) e LIUS-CT (tomografia a raggi X a ultrasuoni), combinano tecnologie avanzate per ottenere immagini ad alta risoluzione di strutture biologiche. Un componente fondamentale di questi sistemi è il DAC (Digital-to-Analog Converter), che coordina il trigger dei segnali di acquisizione e assicura una raccolta dei dati precisa e ad alta frequenza. Nel caso del LIUS-CT, ad esempio, la funzione di triggering viene gestita tramite un generatore di funzioni (come l'AFG 3102 di Tektronix), che fornisce un segnale TTL a 20 Hz, sincronizzato con il laser pulsato LIUS, con una frequenza di 100 Hz. Questo approccio consente di ottenere dati ad alta qualità, minimizzando gli effetti di ritardi e di instabilità, che potrebbero altrimenti compromettere l'accuratezza delle immagini ottenute.

Nel contesto del PAT, un altro importante aspetto è la sincronizzazione del laser con il DAC. La luce del laser, proveniente da un dispositivo a impulsi brevissimi (10 ns), viene trasmessa tramite una fibra ottica e distribuita su nove uscite separate, che sono posizionate intorno al phantom, un modello rappresentativo del corpo umano. I segnali fotoacustici così generati vengono quindi rilevati e successivamente elaborati per ottenere immagini dettagliate. La sincronizzazione precisa e l’alta velocità di acquisizione, come quella che arriva a 20 acquisizioni al secondo nel sistema LIUS-CT, sono essenziali per ottenere immagini nitide e accurate.

Un altro elemento critico è la scelta del trasmettitore di ultrasuoni LIUS. Questi trasmettitori sono progettati utilizzando polidimetilsilossano (PDMS) dopato con carbone nero, che assorbe la luce laser e genera un impulso acustico tramite il fenomeno fotoacustico. L’elemento attivo del trasmettitore ha una dimensione ben definita e viene ottimizzato per fornire impulsi acustici con una frequenza centrale di 0.94 MHz, il che consente di ottenere una risoluzione spaziale elevata nelle immagini acquisite. Inoltre, grazie alla capacità di generare pressioni fino a 200 kPa, i trasmettitori sono in grado di penetrare a fondo nei tessuti, offrendo così immagini dettagliate anche di strutture interne complesse.

Per quanto riguarda la ricostruzione delle immagini, la mappatura della velocità del suono attraverso la trasmissione (through-transmission) è una delle tecniche utilizzate. In questo processo, la velocità del suono viene ricostruita a partire da un ampio numero di proiezioni, ottenute da diverse angolazioni di visualizzazione, che coprono un angolo di 360°. Il tempo di volo (ToF), ovvero il tempo impiegato dall’impulso acustico per percorrere una determinata distanza, viene utilizzato per quantificare il profilo della velocità del suono. Nonostante il ToF sia spesso associato a una risoluzione spaziale bassa a causa della diffrazione, l'approccio scelto prevede una tecnica innovativa di "retro-migrazione" del campo d'onda, che consente di focalizzare i fronti d'onda diffratti, migliorando la risoluzione del ToF e riducendo artefatti da diffrazione.

Un aspetto fondamentale da considerare è l’importanza dell’elaborazione dei dati. Per esempio, nelle ricostruzioni a 360° delle proiezioni, l’utilizzo di una "retro-migrazione" del campo d'onda consente di minimizzare gli artefatti causati da angoli di visualizzazione troppo ampi. In pratica, la retro-migrazione dei dati avviene in modo da correggere l’effetto della diffrazione e ottenere una risoluzione limite teorica, che migliora significativamente la qualità dell'immagine. Tuttavia, per garantire che questi dati vengano interpretati correttamente, è essenziale l’uso di software specializzati che possano gestire e visualizzare in modo efficace i risultati delle acquisizioni, come nel caso di LabVIEW.

Un altro aspetto cruciale è la scelta dei rilevatori ultrasuoni. Esistono diverse opzioni, come i rilevatori piatti e quelli dotati di lenti acustiche divergenziali. I rilevatori piatti, con un diametro dell'elemento attivo di 3 mm, sono caratterizzati da una bassa pressione minima rilevabile (MDP), che consente di rilevare segnali molto deboli. Al contrario, i rilevatori con lente divergenziale hanno un angolo di apertura maggiore, ma una MDP più alta a causa delle perdite introdotte dalla lente. Ogni tipo di rilevatore ha applicazioni specifiche, e la scelta tra uno e l’altro dipende dalle necessità della scansione e dai dettagli richiesti dalle immagini.

I sistemi LIUS e PAT sono tecnologie avanzate che offrono un’incredibile potenza diagnostica, soprattutto in ambito medico, come nella mammografia fotoacustica, dove si cerca di rilevare e diagnosticare tumori o anomalie nei tessuti molli. La combinazione di luce laser e ultrasuoni consente di ottenere immagini altamente dettagliate, superando alcuni limiti delle tradizionali tecniche di imaging, come la tomografia a raggi X. Tuttavia, è importante sottolineare che la precisione e l’affidabilità dei risultati dipendono in gran parte dalla calibrazione accurata dei dispositivi, dalla scelta dei parametri ottimali di acquisizione e dall’analisi dei dati mediante algoritmi avanzati.

Quali sono le applicazioni e i vantaggi dell'imaging fotoacustico per la diagnosi del cancro al seno?

L'imaging fotoacustico (PAI) ha mostrato un grande potenziale nella visualizzazione dei tumori al seno, grazie alla sua capacità di combinare informazioni morfologiche e funzionali in tempo reale. Le immagini acquisite tramite sistemi di PAI consentono di osservare la struttura vascolare e la distribuzione di emoglobina e ossigeno nei tessuti mammari, fornendo dati cruciali per la diagnosi precoce del cancro. Tuttavia, la tecnologia è ancora in fase di sviluppo, e le applicazioni cliniche sono in continuo miglioramento.

Un aspetto distintivo delle immagini PA è la capacità di visualizzare la densità vascolare e la ramificazione dei vasi sanguigni attorno al tumore. Come mostrato nelle immagini di PAI ottenute con vari sistemi, i tumori maligni si distinguono per una maggiore concentrazione di emoglobina totale (HbT) e una rete vascolare più densa rispetto ai tessuti sani circostanti. L'analisi di queste caratteristiche consente di rilevare aree con un'intensa angiogenesi, un segno distintivo del cancro al seno. Le immagini ottenute dai sistemi SBH-PACT e Twente, per esempio, mettono in evidenza una maggiore densità di vasi sanguigni attorno al tumore, suggerendo un processo di crescita vascolare che può essere un indicatore di malignità.

L'imaging fotoacustico non solo consente di vedere la distribuzione dei vasi sanguigni, ma anche di misurare la saturazione di ossigeno nei tessuti. I tumori, a causa della loro rapida crescita, spesso sperimentano ipossia, ovvero una carenza di ossigeno nei tessuti tumorali. Questa condizione viene rilevata facilmente con la tecnica PA, che evidenzia un flusso sanguigno povero di ossigeno (rosso) nelle aree tumorali, mentre l'ossigeno (verde) è più prevalente nei tessuti sani. La mappa della saturazione di ossigeno diventa quindi uno strumento diagnostico fondamentale per distinguere le aree sospette.

Anche se i sistemi portatili, come l’Imagio, hanno dimostrato di avere un grande potenziale, la loro capacità di fornire immagini tridimensionali è limitata, poiché questi dispositivi sono progettati per acquisire solo immagini bidimensionali. Sebbene il sistema Imagio consenta una visualizzazione in tempo reale delle immagini PA/US e abbia ottenuto l’approvazione della FDA per l’uso clinico, la sua capacità di raccogliere informazioni tridimensionali rimane limitata dalla natura operatore-dipendente della tecnologia. Ciò significa che, sebbene il sistema portatile sia molto utile per un uso clinico quotidiano, non può fornire una visualizzazione completa della struttura vascolare profonda o della crescita tumorale a livelli più elevati di profondità.

I sistemi in posizione supina, come l’Imagio, sono spesso preferiti per la loro praticità e portabilità, ma un altro tipo di sistema, l'MSOT, ha mostrato di essere in grado di acquisire immagini PA a profondità superiori. MSOT utilizza una sonda a matrice curva con una frequenza centrale di 3 MHz e una gamma di lunghezze d'onda multiple (700-850 nm), che consente di acquisire immagini funzionali e morfologiche in diverse profondità. Sebbene anche MSOT non fornisca informazioni tridimensionali, la possibilità di eseguire scansioni a diverse profondità e visualizzare le caratteristiche vascolari in tempo reale la rende un valido strumento diagnostico, in particolare per la rilevazione di tumori al seno a stadio iniziale.

L'uso della posizione eretta durante l’imaging fotoacustico, come nel caso del sistema DSM, ha introdotto significativi miglioramenti nell'imaging del cancro al seno. La compressione del seno tra due serbatoi d’acqua durante l’acquisizione delle immagini non solo riduce lo spessore ottico dei tessuti ma consente anche di visualizzare tumori a profondità maggiori rispetto ai sistemi in posizione supina. La possibilità di acquisire immagini volumetriche grazie alla scansione a doppio lato con illuminazione laterale è una caratteristica distintiva del DSM. Questo sistema permette di ottenere immagini fino a 7 cm di profondità, cosa che lo rende uno degli strumenti più potenti per l'imaging del cancro al seno disponibile al momento.

Le immagini PA ottenute in posizione eretta, combinate con l'ultrasuono (US), consentono una visione più chiara della vascolarizzazione tumorale. Le scansioni mostrano non solo la distribuzione dei vasi ma anche la loro ramificazione e la direzione di crescita, che possono essere utili per determinare l'aggressività del tumore. L’analisi di questi dati, attraverso la fusione delle immagini PA e US, fornisce un panorama complesso della struttura vascolare del seno e delle anomalie che potrebbero essere indicative di un tumore maligno.

Le caratteristiche funzionali che emergono dalle immagini PA, come la saturazione di ossigeno e la concentrazione di emoglobina totale, sono determinanti nella diagnosi precoce del cancro. La presenza di tessuti malati che mostrano segnali di sangue deossigenato, ad esempio, è un indicatore chiave di un tumore in fase di crescita attiva, che richiede un apporto sanguigno intenso per supportare la proliferazione cellulare. Questi segnali, insieme alla densità vascolare e alla ramificazione dei vasi, sono utili non solo per la diagnosi ma anche per il monitoraggio della risposta ai trattamenti.

Infine, mentre la tecnologia fotoacustica continua a evolversi, la sua integrazione con altre tecniche diagnostiche, come l’ecografia e la risonanza magnetica (MRI), rappresenta un passo fondamentale per offrire diagnosi più accurate e tempestive. La combinazione di diverse modalità di imaging permette di compensare le limitazioni di ciascun sistema, offrendo una visione più completa del tumore, della sua struttura vascolare e della sua funzionalità.

Qual è l'effetto del comportamento delle onde fotoacustiche e della diffusione dei fotoni nella diagnostica biologica?

La diffusione dei fotoni in un mezzo con bassa assorbimento ma elevata dispersione è caratterizzata dall'approssimazione della diffusione dei fotoni in un'equazione differenziale parziale di secondo ordine, che descrive il comportamento nel tempo della distribuzione della fluenza dei fotoni. In questo tipo di modello, si prende in considerazione l’assorbimento del fotone attraverso un termine che può essere espresso come funzione della fluente Φ, del termine di sorgente q0 e del coefficiente di diffusione κ(r). Tale coefficiente è fondamentale nella caratterizzazione del comportamento della luce nei tessuti biologici, e la sua forma matematica può essere scritta come una funzione che dipende dall'angolo medio di dispersione g e dal coefficiente di scattering ridotto (1-g)μs.

Nel contesto della diagnostica fotoacustica, questo modello è valido soprattutto per la transilluminazione nel vicino infrarosso (NIR) dei tessuti, con intervalli di valori compresi tra 0.01 < μa < 0.1 mm^(-1). Tuttavia, in situazioni in cui l'effetto di dispersione non domina, tale approssimazione potrebbe non essere del tutto precisa. La relazione tra il flusso di fotoni e la distribuzione dell'energia termica nel mezzo è quindi un aspetto cruciale da comprendere.

L'analisi delle onde acustiche in un fluido da un lato e il modello fotoacustico dall'altro si intersecano quando un impulso laser induce una espansione termica locale. Il modello acustico considera l'effetto termoelastico della generazione delle onde acustiche, dove si può ignorare l'influenza della viscosità e della conduttività termica. L'equazione per la pressione acustica p è legata alla velocità del suono, al coefficiente di espansione termica β, alla capacità termica specifica a pressione costante Cp, e all'energia termica H che viene depositata nel fluido. La pressione acustica è quindi una funzione della posizione e del tempo, descrivendo come l'energia termica si distribuisce nel fluido durante la propagazione delle onde.

Nel contesto fotoacustico, l'energia ottica assorbita dai tessuti viene trasferita a energia termica, determinando un incremento locale di temperatura che provoca una espansione del tessuto seguita da una contrazione rapida. Questo fenomeno genera la pressione acustica che dà origine al segnale fotoacustico. La relazione termodinamica tra energia e pressione, che può essere modellata tramite una serie di equazioni termiche e di stato, è fondamentale per comprendere il processo di generazione di segnali fotoacustici. La distribuzione dell'energia assorbita nel fluido è quindi strettamente legata alla pressione acustica iniziale p0(r), che è proporzionale alla mappa di energia assorbita.

In pratica, l’efficienza della conversione dell'energia termica in pressione acustica può essere descritta dal coefficiente di Gruneisen, Γ. Quando l’energia ottica viene assorbita nel fluido, prima che la densità del fluido stesso cambi, la pressione acustica iniziale si propaga come un'onda acustica. L’equazione di propagazione delle onde acustiche, che considera il comportamento isotropico del mezzo biologico, assume una particolare importanza nelle tecniche di imaging fotoacustico.

Il modello di propagazione delle onde acustiche è influenzato dalla velocità del suono e dalla densità del mezzo, variabili che dipendono sia dalla posizione che dal tempo. In tale contesto, la propagazione delle onde acustiche non genera flussi netti, mentre le onde di taglio possono essere trascurate. In genere, si utilizzano equazioni di primo ordine che collegano la pressione acustica p, la velocità del particella acustica u, e la densità acustica δ, che rispondono rispettivamente alla conservazione della quantità di moto, alla conservazione della massa e all’equazione di stato.

Per quanto riguarda le applicazioni pratiche della fotoacustica, la larghezza dell'impulso di eccitazione gioca un ruolo decisivo nell'ottimizzazione della generazione del segnale. La relazione tra la larghezza dell'impulso e la risoluzione spaziale e la profondità di imaging è complessa, ma è importante notare che un impulso più corto è generalmente più efficiente nella generazione del segnale PA rispetto a un impulso più lungo. In particolare, la risoluzione assiale e laterale dipendono dalla larghezza dell'impulso e dalla soddisfazione della condizione di confinamento dello stress, che richiede che la larghezza dell'impulso sia inferiore al tempo di transito acustico attraverso il voxel di risoluzione.

Infine, la comprensione dell'effetto saturante dell'assorbimento e della relazione tra la larghezza dell'impulso e la generazione del segnale è cruciale per l'ottimizzazione delle tecniche di imaging fotoacustico. L’intensità di eccitazione, che dipende dalla larghezza dell'impulso, può influenzare la generazione del segnale PA tramite l'effetto di saturazione dell'assorbimento.

Un aspetto fondamentale che merita attenzione riguarda la scalabilità dei parametri di imaging in sistemi biologici studiati sia a livello macroscopico che microscopico. La possibilità di adattare configurazioni di eccitazione e rilevamento per ottenere una risoluzione spaziale, una profondità di imaging e una sensibilità di rilevamento ottimizzati per diverse scale è essenziale per una comprensione completa dei fenomeni biologici a diverse lunghezze.

Quali sono i migliori rivestimenti antifouling per scambiatori di calore industriali?
Come la Sostenibilità e la Qualità della Legna Canadese Stanno Rivoluzionando l'Industria del Legno
Come la tecnologia cambia la nostra percezione dello spazio e del futuro
Quali sono le proprietà logiche delle formule con quantificatori? Esplorazione e dimostrazione.
Quali sono i meccanismi di emissione della luce bianca e come vengono ottenuti?