Fotoacustica: vedere attraverso il suono Understand article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Una visualizzazione di immagini  avanzata che combina onde sonore ad alta frequenza con luce laser fornisce ai ricercatori e ai clinici un nuovo strumento per osservare I tessuti viventi.

Il detto ‘vedere equivale a credere’ è ancora più vero nelle scienze che in altre area della vita. Le immagini scientifiche aprono una più ampia veduta rispetto alla visione ad occhio nudo, dal mondo microscopico delle cellule, molecole e persino atomi alle galassie più distanti. Molte immagini di questo tipo derivano da sistemi che sfruttano le onde luminose. Ma in biologia e medicina, questi sistemi a volte hanno degli svantaggi: la luce non si può propagare attraverso i tessuti biologici senza essere dispersa, offuscando le immagini risultanti e impedendoci di vedere in profondità all’interno del corpo (Ntziachristos, 2010). Anche se i Raggi X possono andare in profondità, essendo pero’ dannosi per le cellule, bisognerebbe mantenere al minimo la loro utilizzazione.

Per prevenire questi inconvenienti si sono sviluppati i altri metodi costruzione delle immagini che non si basano sulla luce ma su altri tipi di onde – come quelle acustiche (onde) sonore, che sono già impiegate nella metodologia di costruzione delle immagini con gli ultrasuoni, onde acustiche che vengono disperse molto meno facilmente dai tessuti biologici e posso andare in profondità, permettendo ai medici di monitorare lo sviluppo dei feti dei bimbi all’interno del corpo della mamma, per poter studiare il flusso sanguigno nelle vene, e per individuare difetti nel cuore. Pur tuttavia occorre affermare che questa tipologia di formulazione delle immagini con gli ultrasuoni possiede una risoluzione alquanto scarsa, e non può competere con una più chiara tecnica che prevede l’uso di raggi X.

Comunque, attualmente si utilizza una visualizzazione di diagnosi per immagini che combina la luce con il suono e che promette i vantaggi di entrambe le tecniche. Attualmente  è detta formazione di immagini foto acustiche, questa tecnica si basa sull’effetto foto acustico scoperto dall’inventore Alexander Graham Bell di origini Scozzesi nato nel 1880. 

Photoacoustic image of blood vessels in a human palm. The colour scale shows the depth of individual vessels.
Immagine fotoacustica di un vaso sanguigno del palmo di una  mano umana. La scala dei colori mostra la profondità dei vasi singoli.
Matsumoto et al. (2018) Scientific Report, CC BY 4.0

Come funziona la formazione delle immagini con la visualizzazione fotoacustica

Più di un secolo fa, Bell scoprì come certi materiali emettono delle onde sonore quando sono colpiti da impulsi di luce molto rapidi. Per capirne il perché, dobbiamo pensare il processo in due fasi.

Nella prima fase, l’assorbimento della luce genera calore – un effetto che sarà familiare  a chi parcheggiato l’automobile senza alcun riparo durante una giornata soleggiata. L’energia luminosa provoca, alle molecole del materiale esposto di entrare in uno stato di alta energia detto stato ‘eccitato’. Questo stato non è stabile: in un più o meno un trilionesimo di secondo, le molecole ritornano al loro stato precedente emettendo energia calorifica. Lo stesso processo si presenta quando illuminiamo una cellula con un raggio di luce laser: certe molecole chiamate cromofore, o pigmenti, assorbono l’energia luminosa e si riscaldano.

Nella seconda fase, il calore genera una variazione di pressione – poiché, quando un oggetto è riscaldato, esso si dilata. Se questo succede ad un pigmento che assorbe la luce all’interno della cellula, le molecole pigmentose iniziano a vibrare violentemente e spingono la struttura che le circonda provocando una variazione locale nella pressione. Una singola espansione tuttavia non è sufficiente a generare un’onda sonora. Affinché questo accada, la pressione deve oscillare rapidamente – il che è esattamente quello che succede se il laser lancia degli impulsi molto rapidi, di durata di un miliardesimo di secondo. Le espansioni fugaci risultanti, alternate a raffreddamento e contrazione, generano un’onda sonora acuta con una frequenza di 1–100 MHz – circa 50–5000 volte superiore alla frequenza udibile dal nostro orecchio. Questa onda sonora può essere individuata ed utilizzata per riprodurre, immagini chiare, ad alta risoluzione delle strutture biologiche, incluse quelle che normalmente nascoste dietro altri tessuti. (figura 1)

Figure 1: How photoacoustic imaging works.
Figura 1: Come funziona la tecnica di formazione delle immagini foto acustiche. Gli impulsi laser causano l’emissione di onde ad ultrasuoni, che vengono rilevate dal rivelatore e utilizzate per produrre immagini di strutture all’interno del tessuto.
Jakub Czuchnowski
Laser pulse: Impulso laser
Ultrasound detector: Rivelatore degli ultrasuoni
Transmission medium (water, ultrasound gel): Mezzo di trasmissione (acqua, gel per ultrasuoni)
Ultrasound waves: Onde ultrasoniche
Living tissue: Tessuti viventi
Blood vessel: Vaso sanguigno
Absorbing molecule (e.g. haemoglobin): Molecole assorbenti (per es. Emoglobina)

Utilizzazione della tecnica foto acustica per la formazione delle immagini

L’approccio della tecnica foto acustica comporta vantaggi evidenti rispetto alla tecnica tradizionale di formazione delle immagini, conosciuta con il nome di microscopia a fluorescenza. In questa tecnica si prevede la presenza di un marcatore fluorescente da aggiungere al campione e renderlo fluorescente (facendolo ri-emettere la luce) mediante un raggio luminoso di lunghezza d’onda controllata. Nella microscopia foto acustica, non è necessario aggiungere  nessun ‘marcatore’, e la tecnica permette a tutte le molecole assorbenti – incluse quelle naturalmente presenti in organismo vivente – di poter essere fotografato. Inoltre, particolari tipi di molecole possono essere individuate in maniera selettiva variando la lunghezza d’onda della luce che le eccita, e utilizzando lunghezza d’onde multiple ci permette di osservare tessuti differenti allo stesso tempo.    

La tecnica di formazione delle immagini foto  acustiche è stata sviluppata anche per creare una nuova forma di tomografia – una tecnologia che per mezzo del computer ricostruisce immagini in 3D da integrare con le informazioni digitali. La tomografia fotoacustica si basa sul fatto che ogni molecola assorbente emette un’onda sferica di pressione che si propaga nelle tre dimensioni. Rivelatori posti in diverse postazioni ricevono gli impulsi provenienti in tempi leggermente differenti tra loro, e il software utilizza le differenze di tempo per calcolare il punto dal quale sono state originate le onde (Ntziachristos et al., 2005).

In pratica, le onde di pressione generate dalle singole molecole sono troppo deboli per poter essere osservate. Nella tomografia fotoacustica, in pratica osserviamo segnali che provengono da una moltitudine di (detta cluster) composta da miliardi di milioni di miliardi (triliardi) di molecole, che corrispondono a 100-1000 cellule. Al confronto, la MRI (la Risonanza Magnetica) (largamente diffusa per la tomografia), la risoluzione è dell’ordine di 1 mm3, che corrisponde al volume di circa un milione di cellule.

Applicazioni mediche

Le immagini foto-acustiche rappresentano un grande potenziale per la diagnostica per immagini nel campo medico, e rappresenta un mezzo importante e potente a questo scopo. Si adatta molto bene per le strutture che contengono sangue, poiché l’emoglobina – il pigmento rosso che trasporta l’ossigeno attraverso i vasi sanguigni – si vede molto bene nelle immagini foto-acustiche. Una delle applicazioni è quella della individuazione dei tumori (figura 2). Quando i tumori crescono, modificano la riorganizzazione dei vasi sanguigni limitrofi secondo un processo conosciuto come neo-vascolarizzazione. Questi vasi sanguigni possono essere rivelati chiaramente sintonizzando la frequenza del raggio laser a quella di assorbimento dell’emoglobine. Studi preliminari hanno suggerito che l’utilizzo delle immagini foto-acustiche per la visualizzazione della neo-vascolarizzazione potrebbe essere più efficace per l’individuazione del tumore del seno rispetto alla tradizionale mammografia ad ultrasuoni (Heijblom et al., 2016). E diversamente dai Raggi-X, e l’utilizzo dell’indagine CT (Tomografia Computerizzata) e con la PET (Tomografia ad Emissione di Positroni), la visualizzazione fotoacustica non espone il paziente a potenzialmente pericolose radiazioni.

Figure 2: Comparison between X-ray and photoacoustic tomography for breast tumour imaging.
Figura 2: Confronto tra Raggi-X e tomografia fotoacustica per la visualizzazione del tumore del seno. Al contempo evitando dannose radiazioni, la tomografia fotoacustica  può visualizzare un incremento dei vasi sanguigni che sono sempre associati all’insorgere di un tumore.
Heijblom et al. (2016) European Radiology, CC BY-NC 4.0
X-ray image: Immagine a Raggi-X
Combined X-ray and photoacoustic image: Immagine combinata Raggi-X e fotoacustica
3D photoacoustic image: Immagine fotoacustica 3D

 

Un’altra applicazione è quella della individuazione dell’arteriosclerosi – l’ispessimento e l’indurimento delle arterie che spesso è precursore di problemi cardiaci o infarti. A questo scopo, la visualizzazione è stata realizzata utilizzando un endoscopio che conteneva una fibra ottica. Le ‘placche’ di grasso che si accumulano all’interno delle pareti delle arterie, sono facilmente individuabili rispetto ai tessuti sani, poiché hanno un diverso spettro di assorbimento. Ricerche preliminari hanno dimostrato che questa tecnica promette una diagnosi più affidabile.   

Esperimenti e ricerche

Alcune sfide scientifiche si possono affrontare meglio utilizzando ‘organismi modello’ tipo quello di un topo o di un ratto, piuttosto che studiare direttamente gli organi sugli esseri umani. I roditori rappresentano un modello importante di organismi da studiare per la biologia dei tumori ed anche nel campo delle neuroscienze, e proprio per le loro dimensioni le visualizzazioni della loro anatomia interna è relativamente più facile da ottenere poiché non occorre che il raggio luminoso si propaghi molto addentro. Sono già stati realizzati un certo numero di studi sui tumori con la tecnica fotoacustica, utilizzando i topi: per esempio per visualizzare la crescita e il progresso dei tumori (Jathoul et al., 2015).

Sfruttando i roditori come modello ci permette inoltre di indagare come funziona il cervello dei mammiferi. Nel cervello umano vi sono circa 80 miliardi di neuroni, ma il cervello dei topi ne ha soltanto 70 milioni, ciò facilita il dettaglio delle visualizzazioni Sino ad ora, gli studi sul cervello dei roditori erano legati a tecnologie di visualizzazioni che rivelavano le differenti parti del cervello ‘illuminandone’ il loro funzionamento. Un tipico esperimento consiste nello stimolare un topo mediante l’odorato, il suono e stimoli visivi e visualizzare l’intero cervello per osservare dove sono elaborate le informazioni sensoriali. La tecnologia standard di visualizzazione è quella della MRI (fMRI) (Risonanza Magnetica). Tuttavia, oltre ad avere una risoluzione spaziale piuttosto scarsa, la fMRI non rivela direttamente quali neuroni sono attivi – solo quelli delle aree che stanno consumando la maggior parte dell’energia, come è stato possibile visualizzare il consumo di ossigeno in tempo reale. Questa limitazione ha motivato gli studiosi a sviluppare una tecnologia migliore per visualizzare più direttamente l’attività neuronale. Con la tomografia fono-acustica, questo processo è rivelato attraverso la concentrazione del calcio all’interno degli stessi neuroni.

La tomografia fono-acustica utilizzata sui roditori promette di essere un potente mezzo, grazie alle sue possibilità 3D, il più ampio campo di osservazione e con una risoluzione più elevata (Ovsepian et al., 2017). In linea di principio, è possibile visualizzare l’intero cervello degli animali che si muovono in libertà in labirinti risolvendo vari enigmi. La visualizzazione fotoacustica attualmente non ha la risoluzione per registrare la funzione dell’intero cervello a livello di singolo neurone, ma gli sforzi sono in corso in tutto il mondo verso questo obiettivo.

Jakub Czuchnowski working with the photoacoustic microscope
Jakub Czuchnowski mentre lavora con il suo microscopio fotoacustico costruito nel lab del Laboratorio di Biologia Molecolare Europeo (EMBL), Heidelberg. Si può vedere chiaramente il laser.
Marietta Schupp/EMBL

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References

Web References

  • w1 – EMBL è il principale laboratorio per la ricerca di base in biologia molecolare, con la sua sede principale ad Heidelberg, Germania.

Resources

  • Guardate un video che spiega i principi e le applicazioni della visualizzazione fotoacustica.

Institution

EMBL

Author(s)

Jakub Czuchnowski è uno studente per il suo PhD presso il laboratorio di Robert Prevedel al EMBLw1 Heidelberg, Germania. Jakub ha studiato biotecnologia e fisica all’Università Jagiellonian, Polonia, e si è sempre interessato del legame tra tecnologia e avanzamento delle ricerche in biologia. Sta lavorando nello sviluppo di un sistema fotoacustico per studiare l’avanzamento dei tumori su un modello di roditori, e sta anche esplorando nuove metodologie per la rivelazione dei segnali fotoacustici per ovviare ai limiti tecnici attuali.

Il Dr Robert Prevedel è il responsabile di un gruppo di lavoro al’ EMBLw1 Heidelberg, Germania. Robert ha ottenuto il suo PhD in fisica sperimentale all’Università di Vienna, Austria, durante il quale ha sviluppato un nuovo approccio nel calcolo dell’ottica quantistica. Durante gli studi del suo periodo post dottorale, Robert ha lavorato su metodi innovativi in ottica e strumenti per la visualizzazione, focalizzando la sua attenzione sulla neuro visualizzazione funzionale su piccoli modelli di organismi. Attualmente la sua ricerca riguarda lo sviluppo di tecnologie ottiche per la visualizzazione biomedica applicando queste tecniche per risolvere precedenti dubbi sul fronte avanzato della biologia.


Review

Questo articolo mostra come la ricerca in fisica può fare la differenza nel settore della medicina – e fornisce al lettore un’anteprima delle scansioni di immagini che saranno disponibili tra qualche anno.

L’articolo può essere utilizzato per un progetto didattico finalizzato all’apprendimento delle diverse tecniche di visualizzazioni di immagini, e considerare l’argomento delle onde in fisica. È interessante anche la connessione tra biologia e fisica.

L’articolo è dedicato anche agli insegnanti che vogliono approfondire la conoscenze delle ricerche innovative, e il modo diretto nel quale è scritto aiuta gli insegnanti a condividere le informazioni con i loro studenti – e forse ispirarli ad approfondire i loro studi in fisica nel periodo scolastico posteriore.

Questo artico è altresì adatto per un esercizio per valutarne la comprensione. Le domande suggerite, comprendono:

  • Cosa succede alla luce quando la si fa passare il corpo e suoi i tessuti biologici?
  • Descrivere i vantaggi e gli svantaggi nell’utilizzo dei Raggi-X per la visualizzazione
  • Perché la visualizzazione con gli ultrasuoni limita le analisi cliniche?
  • Che cosa sono i cromofori?
  • Qual è il vantaggio della visualizzazione fotoacustica in microscopia?

Stephanie Maggi-Pulis, direttore del dipartimento di fisica, Segretariato per l’Educazione Cattolica, Malta




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