A tomografia fotoacústica quantitativa (QPAT) é uma técnica de imagem médica que combina sinais fotoacústicos induzidos por laser e detecção de ultrassom para criar imagens tridimensionais detalhadas de tecidos biológicos. O processo envolve a irradiação de tecidos biológicos com pulsos curtos de laser. Esses pulsos são absorvidos por moléculas absorventes de luz (cromóforos) dentro dos tecidos, levando a um rápido aquecimento e à geração de ondas ultrassônicas ou sinais acústicos.



A distribuição resultante da pressão acústica é medida e registrada ao longo do tempo, formando uma série temporal fotoacústica usada para reconstruir uma imagem tridimensional do tecido. Na tomografia fotoacústica, os pulsos de laser são dispersos por uma área tecidual mais ampla, em vez de serem focados em uma região específica. Para produzir a imagem final do tecido, é crucial estimar as propriedades ópticas dos tecidos a partir da série temporal fotoacústica medida.

Em uma revisão publicada no Journal of Biomedical Optics (JBO) , Tanja Tarvainen da University of Eastern Finland e Ben Cox da University College London discutem a parte óptica ou o aspecto de geração de imagem do QPAT.

“Nosso estudo está focado na matemática da parte óptica”, diz Tarvainen. "Ele examina o pensamento atual sobre dois problemas relacionados:qual é a melhor maneira de descrever matematicamente a propagação da luz e sua interação com o tecido biológico? Dadas as medições fotoacústicas, o que, em princípio, podemos aprender sobre as propriedades ópticas do tecido, ou mesmo o propriedades relacionadas e mais clinicamente relevantes, como a oxigenação do sangue?"

A revisão começa introduzindo modelos matemáticos comumente usados ​​para descrever a propagação de luz e som em tecidos biológicos, especificamente a equação de transferência radiativa (RTE) e suas aproximações. Essas equações descrevem o movimento da luz através de um meio, considerando sua absorção, espalhamento e emissão. No QPAT, o RTE serve de modelo para entender como a luz interage com os tecidos biológicos, assumindo a energia constante dos fótons durante as colisões elásticas e um índice de refração constante do meio.

A revisão introduz então o parâmetro Grüneisen, que liga a energia óptica absorvida pelos tecidos à distribuição inicial da pressão acústica. As equações para propagação das ondas acústicas no tecido biológico também são destacadas.

A seguir, os pesquisadores discutem o problema fotoacústico inverso, que envolve estimar as concentrações de moléculas que absorvem luz em tecidos biológicos. Existem dois problemas inversos no QPAT. No problema acústico inverso, a distribuição da pressão acústica é determinada a partir da série temporal fotoacústica medida.

No entanto, esta revisão foca no problema óptico inverso, onde as distribuições dos parâmetros ópticos são estimadas a partir da densidade de energia óptica absorvida. A resolução de problemas inversos é importante para obter estimativas precisas de parâmetros clinicamente importantes, como as concentrações de oxiemoglobina e desoxihemoglobina, que são indicadores dos níveis de saturação de oxigênio no sangue.

Os autores descrevem duas abordagens para o problema óptico inverso no QPAT:uma estimativa direta das concentrações de cromóforos a partir de dados de densidade de energia óptica absorvida e um processo de dois estágios envolvendo a recuperação dos coeficientes de absorção, seguida de inversão espectroscópica para calcular a concentração.

Finalmente, a revisão discute os desafios associados à implementação prática do QPAT. Estes incluem abordar o efeito do espalhamento óptico, considerando a variação na absorção de energia óptica pelos tecidos (efeito de fluência), a necessidade de métodos computacionais intensivos e as incertezas nos parâmetros que são usados ​​como entradas para os modelos, como o Grüneisen parâmetro.

“Embora o QPAT seja uma metodologia promissora para fornecer imagens 3D de alta resolução de parâmetros fisiologicamente relevantes, há muitos desafios baseados em modelagem computacional que precisam ser enfrentados antes que a técnica possa ser desenvolvida como uma ferramenta clínica ou pré-clínica padrão”, diz Tarvainen.

QPAT é uma promessa significativa para imagens e diagnósticos médicos não invasivos. Os tópicos discutidos na presente revisão podem orientar o desenvolvimento de estratégias para aumentar a precisão e a confiabilidade do QPAT em cenários do mundo real.

Mais informações: Tanja Tarvainen et al, Tomografia fotoacústica quantitativa:modelagem e problemas inversos, Journal of Biomedical Optics (2023). DOI:10.1117/1.JBO.29.S1.S11509
Informações do diário: Jornal de Óptica Biomédica

Fornecido por SPIE