L'uso combinato dell’imaging a ultrasuoni (US) e dell’imaging fotoacustico (PA) nelle procedure mediche minimamente invasive sta guadagnando crescente interesse. In particolare, questi strumenti sono essenziali per migliorare la visibilità e la precisione dell'inserimento di aghi e cateteri, dispositivi critici in molte tecniche interventistiche. La possibilità di visualizzare l'interno del corpo umano con una risoluzione maggiore e a profondità più elevate rispetto agli approcci tradizionali è di fondamentale importanza, specialmente quando si tratta di procedure delicate come l’inserimento di aghi spinali o l’ablazione di tumori.

Una delle principali sfide nell’uso dell’imaging PA è la limitazione dell'illuminazione ottica. La luce utilizzata per l'eccitazione PA è spesso assorbita o dispersa quando attraversa i tessuti, riducendo la visibilità dei dispositivi e dei target a profondità maggiori. Tuttavia, soluzioni innovative stanno emergendo per superare questo ostacolo. Ad esempio, è stato proposto che la luce eccitante possa essere introdotta in modo interstiziale, utilizzando fibre ottiche inserite all'interno dei canali di lavoro dei dispositivi interventistici. Questo approccio, concepito inizialmente da Piras et al. nel 2013, ha mostrato la sua efficacia nell’aumentare la visibilità sia del campione di tessuto che della progressione dell’ago, soprattutto quando combinato con l’uso di US per la rilevazione extracorporea. Il sistema ha fornito un contrasto migliorato delle immagini PA, con una visibilità aumentata del 17% rispetto alle immagini US co-registrate.

In seguito, Xia et al. (2015) hanno sviluppato una piattaforma di imaging PA multispettrale che utilizza lunghezze d'onda multiple nel vicino infrarosso (NIR) (750-900 nm e 1150-1300 nm). Questa piattaforma, che sfrutta una fibra ottica posizionata all’interno della cannula dell'ago, ha dimostrato di essere efficace in numerose applicazioni, inclusa la guida di blocchi nervosi periferici in modelli animali in vivo. L'approccio multispettrale ha mostrato vantaggi significativi non solo in termini di visibilità dell'ago ma anche nella capacità di identificare i tessuti circostanti, un aspetto cruciale nelle procedure mediche minimamente invasive.

Nel corso degli ultimi anni, i diodi a luce emettente (LED) e i diodi laser (LD) sono emersi come alternative promettenti ai tradizionali laser a stato solido. Questi dispositivi hanno il vantaggio di essere più economici, portatili e di presentare un'efficienza di eccitazione comparabile, contribuendo così alla diffusione dell’imaging PA nella pratica clinica. Ad esempio, Agano et al. (2016) hanno dimostrato la possibilità di visualizzare un ago Cattelan da 20 G inserito in un phantom tessutale utilizzando un sistema di imaging PA/US basato su LED. Questo sistema ha permesso di visualizzare l'ago fino a profondità di 30 mm grazie a un rivestimento nero applicato all'esterno dell'ago. Un altro approccio interessante è stato sviluppato nel 2018, quando Xia et al. hanno presentato una sonda manuale per imaging multimodale, che integra una sonda US clinica con due barre LED strette. Questo sistema è stato testato per la guida di inserimenti di aghi in piani esposti, come nel caso delle procedure di blocco nervoso periferico in tessuti di pollo, dove l'ago non era visibile tramite US ma risultava chiaramente visibile nell’imaging PA fino a una profondità di 2 cm.

Un aspetto interessante è che l'illuminazione interstiziale combinata con rivestimenti nanocompositi elastomerici sta dimostrando di migliorare ulteriormente la visibilità dell'ago. Shi et al. (2022) hanno proposto una soluzione che combina illuminazione extracorporea e interstiziale con rivestimenti nanocompositi elastomerici, i quali aumentano l’assorbimento ottico e l’efficienza della generazione di onde US. Questa tecnica ha mostrato un miglioramento significativo della visibilità dell'ago, soprattutto per quanto riguarda la punta dell'ago, che poteva essere identificata chiaramente a profondità fino a 38 mm.

Un'altra categoria fondamentale di dispositivi in queste procedure è rappresentata dai cateteri. I cateteri, utilizzati in procedure come l'ablazione a radiofrequenza (RFA) e le chirurgie endovascolari, devono essere guidati e monitorati con estrema precisione. La visualizzazione in tempo reale della posizione del catetere, in particolare della sua punta, è cruciale per garantire che il trattamento sia effettuato correttamente e per evitare danni ai tessuti circostanti. Sebbene l'ecografia sia ampiamente utilizzata nella guida delle procedure RFA, l'imaging US presenta alcune limitazioni, come la bassa visibilità dei cateteri e dei tessuti molli. Inoltre, la fluoroscopia a raggi X, pur essendo utile, comporta rischi di esposizione a radiazioni ionizzanti e non fornisce informazioni sulla profondità.

L’imaging PA offre una possibile soluzione a queste limitazioni, con il vantaggio di non richiedere radiazioni ionizzanti e di poter fornire informazioni morfologiche anche a profondità elevate. L’uso dell’imaging PA in combinazione con US è stato esplorato per la guida della RFA, migliorando la visibilità dei cateteri e dei target terapeutici, come nel caso dei tumori. Studi recenti hanno mostrato che, mentre le immagini US non riuscivano a distinguere chiaramente i cateteri dai tessuti circostanti, l’imaging PA ha permesso di visualizzare chiaramente sia il catetere che le lesioni tumorali, contribuendo a una navigazione più precisa e sicura.

Il miglioramento della visibilità dei dispositivi interventistici e dei target tissutali durante le procedure mediche minimamente invasive è una delle aree più promettenti in medicina. Le tecnologie come l’imaging PA, in combinazione con US e altre tecniche di illuminazione innovativa, stanno progressivamente cambiando la pratica clinica, permettendo interventi più sicuri, precisi e meno invasivi.

Quali sono le potenzialità della microscopia fotoacustica nella visualizzazione dei dinamismi emodinamici negli animali?

La microscopia fotoacustica è una tecnica che ha guadagnato sempre più attenzione nel campo della biomedicina per la sua capacità unica di visualizzare dinamiche complesse a livello microscopico. Utilizzando l’interazione tra luce e ultrasuoni, questa tecnologia permette di ottenere immagini ad alta risoluzione, rivelando dettagli strutturali e funzionali all’interno dei tessuti biologici. Recentemente, sono emerse nuove applicazioni della microscopia fotoacustica, come la visualizzazione dei flussi ematici in vivo, che ha aperto la strada a un miglioramento significativo nelle diagnosi e nei trattamenti medici, in particolare nella ricerca sui microvasi e nelle malattie cardiovascolari.

Un approccio fondamentale nella microscopia fotoacustica è l'uso di nanoparticelle come agenti di contrasto. Queste nanoparticelle sono progettate per migliorare la sensibilità dell’immagine, facilitando l’identificazione di strutture biologiche difficili da distinguere con tecniche tradizionali. Tali avanzamenti consentono una visione più precisa delle dinamiche emodinamiche, come l'ossigenazione del sangue e il flusso sanguigno attraverso i vasi più sottili, cruciali per studi avanzati in neurologia e oncologia. Per esempio, l’integrazione di tecniche di microscopia fotoacustica e microscopia confocale consente una valutazione simultanea della saturazione dell'emoglobina e della pressione parziale dell’ossigeno, fornendo informazioni cruciali per la comprensione dei processi fisiologici nei tessuti viventi.

Anche l'uso di fluorofori a infrarossi vicino (NIR) ha portato a significativi miglioramenti nelle capacità di imaging. Tali fluorofori sono in grado di penetrare più profondamente nei tessuti, riducendo la dispersione della luce e migliorando il contrasto dell'immagine. Questo rende la microscopia fotoacustica uno strumento particolarmente utile per lo studio di strutture biologiche a livello molecolare, dove altre tecniche, come la risonanza magnetica o l’ecografia, incontrano difficoltà.

Un altro aspetto fondamentale della microscopia fotoacustica è la sua capacità di eseguire imaging funzionale in tempo reale. Grazie alla combinazione di elevata risoluzione spaziale e temporale, è possibile monitorare i cambiamenti nel flusso sanguigno e nelle dinamiche di ossigenazione in risposta a stimoli esterni o trattamenti. Ad esempio, studi recenti hanno applicato la microscopia fotoacustica per osservare in tempo reale il comportamento dei vasi sanguigni nel cervello di topi svegli, un’area di grande interesse per la neurobiologia. Le immagini ottenute hanno mostrato la reazione dei vasi ai cambiamenti nella pressione parziale di ossigeno, offrendo una visione dinamica del sistema vascolare cerebrale.

Inoltre, la microscopia fotoacustica si distingue per la sua capacità di distinguere tra tessuti normali e patologici, una caratteristica che la rende particolarmente adatta per applicazioni diagnostiche. Un esempio notevole è l'uso della microscopia fotoacustica per il monitoraggio delle neoplasie. Grazie alla sensibilità nella rilevazione di anomalie nel flusso sanguigno e nella vascolarizzazione, è possibile rilevare tumori in fasi molto precoci, quando le masse tumorali non sono ancora visibili con le tradizionali tecniche di imaging.

La tecnica offre inoltre un’analisi approfondita delle proprietà ottiche dei tessuti biologici, che sono cruciali per la comprensione dei fenomeni biologici e per l’ottimizzazione dei trattamenti terapeutici. Ad esempio, le proprietà di scattering e assorbimento della luce in funzione della saturazione di ossigeno sono utilizzate per studiare le alterazioni nei tessuti tumorali o nei disturbi vascolari. La misurazione di tali proprietà in tempo reale è essenziale per valutare l'efficacia di terapie mirate o per monitorare la risposta dei tessuti a trattamenti come la radioterapia o la chemioterapia.

Un altro punto di grande rilevanza riguarda le applicazioni in medicina rigenerativa. Grazie alla sua capacità di monitorare il comportamento dei microvasi, la microscopia fotoacustica è fondamentale nella ricerca sui trapianti di tessuti e sulla rigenerazione cellulare. L’osservazione della vascolarizzazione nei tessuti trapiantati è essenziale per valutare il successo del trapianto e prevenire possibili rigetti. Inoltre, studi avanzati sulle cellule staminali possono beneficiare della microscopia fotoacustica per monitorare la formazione di nuovi vasi sanguigni in tessuti rigenerati.

Per il lettore che si avvicina a queste tecnologie, è importante comprendere non solo le potenzialità immediate della microscopia fotoacustica, ma anche la sua capacità di integrarsi con altre tecniche avanzate di imaging. La combinazione con la tomografia a coerenza ottica, per esempio, ha il potenziale di offrire immagini ancora più precise, integrando i dati morfologici con quelli funzionali. Questo approccio multimodale è particolarmente promettente nelle neuroscienze, dove l'accesso a informazioni dettagliate sulla struttura e sulla funzione cerebrale è cruciale per lo sviluppo di nuove terapie.

Inoltre, uno degli aspetti che spesso viene trascurato, ma che è fondamentale, è la necessità di ottimizzare costantemente le tecniche di imaging per migliorarne la precisione e la velocità. Le sfide tecniche relative alla risoluzione spaziale e temporale sono in continuo sviluppo, e il miglioramento di questi parametri permetterà di estendere ulteriormente le applicazioni della microscopia fotoacustica. La continua evoluzione dei materiali per gli agenti di contrasto e delle fonti laser rappresenta una frontiera importante nella realizzazione di dispositivi sempre più compatti e accessibili, che potrebbero rendere la microscopia fotoacustica una tecnica più comune in clinica.

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