La modalità fotoacustica (PA) è emersa come una delle tecniche più promettenti per l'indagine non invasiva dei tessuti biologici, in particolare per quanto riguarda l'osso. Combinando le informazioni provenienti da due discipline distinte, la spettroscopia PA multi-lunghezza d'onda (spectrum di potenza e spettro di assorbimento della luce), questa tecnologia permette di rilevare contemporaneamente la microstruttura ossea e le sue funzioni metaboliche. Tale approccio consente di ottenere una valutazione diretta, rapida ed efficace, senza ricorrere all'uso di radiazioni ionizzanti o a tecniche invasive, rendendo la fotoacustica particolarmente adatta per la diagnosi di patologie ossee come l'osteoporosi.

In un recente studio clinico, è stato dimostrato che la rilevazione PA può raggiungere una valutazione duale dei cambiamenti chimico-molecolari associati alla microstruttura ossea e alla sua funzione metabolica. Questa dualità di informazioni è fondamentale per comprendere meglio la salute ossea, in quanto permette non solo di esaminare la struttura fisica dell'osso, ma anche di monitorare i processi biochimici che influiscono sulla sua salute. La tecnologia PA, infatti, è in grado di rilevare parametri come la mineralizzazione, la saturazione di ossigeno nel sangue e il contenuto lipidico, che sono indicatori cruciali per diagnosi precise e tempestive.

L'integrazione della fotoacustica con l'ultrasuono ha portato a significativi avanzamenti nella comprensione della microstruttura ossea. Questi sviluppi consentono di superare alcune delle limitazioni che caratterizzano altre tecniche di imaging tradizionali, come la risonanza magnetica o la tomografia computerizzata, che spesso non sono in grado di fornire informazioni adeguate su tutte le variabili chimiche e fisiche dell'osso in tempo reale. La combinazione di PA e US è quindi una strada promettente per risolvere alcuni dei limiti delle tecniche convenzionali e favorire una diagnosi precoce e non invasiva.

Un altro aspetto cruciale riguarda la teoria e il metodo di inversione spettroscopica PA adattativa. Il problema delle deformazioni spettrali, dovute alla diversa attenuazione della luce a diverse lunghezze d'onda attraverso i vari strati ossei, è stato risolto grazie all'adozione di questa nuova metodologia. Tradizionalmente, l'attenuazione della luce veniva compensata utilizzando valori empirici, ma queste soluzioni non tenevano conto delle enormi differenze individuali nella composizione e nella struttura dell'osso. La nuova tecnica, infatti, permette di estrarre in modo adattivo le informazioni necessarie per correggere la distorsione spettrale, senza bisogno di valori preimpostati, migliorando così l'accuratezza e l'affidabilità delle misurazioni.

L'utilizzo della spettroscopia PA adattativa ha mostrato di poter risolvere efficacemente i problemi legati alle colorazioni spettrali non lineari, ottenendo una rappresentazione più precisa dello spettro di assorbimento ottico dell'osso, fondamentale per analizzare i processi metabolici ossei a livello molecolare. I risultati mostrano come questa tecnica non solo migliora la qualità delle misurazioni, ma aumenti anche la robustezza e la versatilità dell'imaging fotoacustico.

Tuttavia, la tecnologia PA deve ancora affrontare sfide significative legate alla complessità della struttura ossea, che presenta un'intensa diffusione e attenuazione della luce. Questi fenomeni compromettono la precisione dell'imaging e della valutazione metabolica, creando ostacoli importanti per l'applicazione clinica di questa tecnologia. Ad esempio, l'interferenza dei tessuti molli circostanti, che alterano la propagazione dei segnali PA nell'osso, rappresenta una difficoltà che necessita di ulteriori approfondimenti.

Nonostante queste sfide, la crescente domanda di medicina di precisione non invasiva ha spinto la ricerca verso l'integrazione della fotoacustica con altre tecniche di imaging, come l'ecografia (US) e la risonanza magnetica (MRI). Questi approcci combinati potrebbero migliorare ulteriormente la sensibilità e l'accuratezza dell'imaging PA, aprendo nuove strade per la diagnosi e il monitoraggio delle malattie ossee degenerative e metaboliche, tra cui l'osteoporosi.

I progressi nella tecnologia di imaging PA per le ossa non solo forniscono nuove possibilità per la diagnosi di malattie ossee, ma promettono anche applicazioni in futuro per il monitoraggio del trattamento, riducendo la necessità di interventi invasivi e migliorando la qualità della vita dei pazienti. Le sfide future risiederanno nell'ottimizzare l'applicazione della PA in clinica, affrontando le difficoltà legate alla complessità dei tessuti e alla necessità di tecniche di imaging ancora più sensibili.

In sintesi, la tecnologia fotoacustica ha il potenziale di rivoluzionare la valutazione delle malattie ossee, grazie alla sua capacità di fornire informazioni precise sulla microstruttura e sulle funzioni metaboliche dell'osso in modo non invasivo e senza radiazioni. Nonostante le sfide tecniche ancora presenti, i progressi in questo campo sono promettenti e potrebbero portare a soluzioni innovative per la diagnosi e il trattamento di malattie ossee come l'osteoporosi.

Quali sono le prospettive future per l'imaging fotoacustico con fibre multimodali?

L'utilizzo delle fibre multimodali (MMF) nell'imaging fotoacustico ha mostrato promesse notevoli, ma presenta anche diverse sfide che necessitano di soluzioni innovative. Ad esempio, una delle problematiche più evidenti riguarda l'instabilità del sistema causata dalla curvatura della fibra. La geometria variabile della fibra può compromettere le caratteristiche di trasmissione della luce, influenzando negativamente la capacità di focalizzazione del fascio e quindi la qualità delle immagini ottenute. Sebbene studi precedenti abbiano dimostrato che le MMF a indice gradiente possono resistere meglio alle curvature, permettendo un'acquisizione di immagini mediante scansione raster anche con fibre piegate, è fondamentale considerare che modifiche più complesse alla forma della fibra, come quelle che si verificano quando la fibra è integrata in sonde rigide o in aghi, potrebbero continuare a rappresentare una sfida significativa.

Nel 2021, è stato introdotto un approccio innovativo per migliorare le prestazioni delle sonde fotoacustiche basate su MMF. Utilizzando dispositivi come il Digital Micromirror Device (DMD) e algoritmi avanzati come il Real-Valued Intensity Transmission Matrix (RVITM), è stato possibile aumentare la risoluzione spaziale e temporale delle immagini, ottenendo immagini ad alta fedeltà da globuli rossi di topo. A partire da questa ricerca, nel 2022 è stata miniaturizzata una sonda fotoacustica che utilizza un sensore acustico a fibra ottica basato su un micro-risonatore plano-concavo, posizionato all'estremità di una fibra a modalità singola. Questa innovazione ha permesso l'acquisizione di immagini di alta qualità della vascolarizzazione dell'orecchio e dei globuli rossi di topo, con una risoluzione spaziale di 1,2 μm e un tasso di acquisizione di circa 3 fotogrammi al secondo.

Nonostante queste innovazioni, restano alcune limitazioni legate alla necessità di migliorare la velocità di acquisizione delle immagini, un aspetto cruciale per applicazioni cliniche in tempo reale. Sebbene il DMD attuale possa raggiungere una velocità di 47 kHz, la sua capacità di acquisire immagini ad alta risoluzione (100x100 pixel) è ancora limitata a 4,7 fotogrammi al secondo. Questo potrebbe non essere sufficiente in contesti clinici dove la velocità e la precisione dell'imaging sono fondamentali. A questo proposito, gli approcci basati sull'intelligenza artificiale, come le reti neurali convoluzionali (DCNN), hanno mostrato di poter migliorare significativamente la velocità di acquisizione delle immagini senza compromettere la qualità spaziale.

Un'altra direzione promettente riguarda l'utilizzo di dispositivi a deflettore ottico acustico (AOD) programmabili, che sono notevolmente più veloci rispetto ai tradizionali modulatori di luce spaziale. Ad esempio, nel 2018 è stato utilizzato un AOD per controllare la fase dei fasci di luce con una velocità di acquisizione che arriva a 10 μs, un miglioramento che potrebbe essere applicato all'imaging fotoacustico per ottenere una risoluzione spaziale ancora maggiore. Inoltre, nel 2019, l'uso di una valvola di luce a grating ha permesso una modulazione della fase della luce a 350 kHz, un ulteriore passo avanti verso il miglioramento della velocità di scansione.

Inoltre, la sfida più grande resta la scelta della fonte di eccitazione della luce per l'imaging fotoacustico. Le sorgenti laser Q-switched e le sorgenti a Ti:sapphire sono comunemente utilizzate per l'imaging fotoacustico, ma limitano le lunghezze d'onda disponibili per l'acquisizione delle immagini. Per superare questo ostacolo, sono stati sviluppati oscillatori parametrici ottici che permettono di variare la lunghezza d'onda della luce, consentendo di esplorare una gamma più ampia di cromofori assorbenti, come DNA/RNA, emoglobina, lipidi, acqua e collagene.

Questi sviluppi, sebbene promettenti, non sono ancora sufficienti per applicazioni cliniche di routine. La miniaturizzazione delle sonde, l'affidabilità delle fibre e la capacità di ottenere immagini in tempo reale sono sfide che devono essere affrontate prima che l'imaging fotoacustico con fibre multimodali possa essere implementato efficacemente in contesti clinici.

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