Foto-acustica: a vedea cu sunetele Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. O tehnologie avansată, ce combină undele sonore de înaltă frecvență cu lumina laser, oferă cercetătorilor și clinicienilor un nou mod de a vedea țesuturile vii.

Expresia „a vedea înseamnă a crede” este uneori la fel de adevărată în știință ca și în alte domenii ale vieții. Imaginile științifice ne deschid aspecte ascunse, care sunt invizibile pentru ochii noștri, de la lumea microscopică a celulelor, a moleculelor și chiar a atomilor, până la cele mai îndepărtate galaxii. Multe dintre aceste imagini sunt realizate folosind sisteme care se bazează pe undele de lumină. Dar în biologie și medicină, astfel de sisteme au unele dezavantaje: lumina nu poate călători mult prin țesutul viu fără a fi dispersată, afectând imaginile rezultate și împiedicându-ne să vedem adânc în interiorul corpului (Ntziachristos, 2010). Întradevăr, razele X pot pătrunde mai adânc, însă ele sunt dăunătoare celulelor, astfel că utilizarea lor trebuie menținută la minimum.

Pentru a depăși aceste probleme, s-au dezvoltat și alte metode imagistice care se bazează nu pe lumină, ci pe alte tipuri de unde – cum ar fi undele acustice (sunetul), care sunt folosite în tehnologia familiară a imaginilor cu ultrasunete. Datorită lungimilor de undă mai mari, undele acustice sunt dispersate mult mai puțin de către țesuturile biologice și pot pătrunde mai adânc, permițând clinicienilor să monitorizeze dezvoltarea bebeluşilor în uterul matern, să studieze sângele care curge prin vene, sau să identifice defectele inimii. Cu toate acestea, imaginile standard cu ultrasunete au în general o rezoluție slabă și nu pot concura cu claritatea permisă de imaginile cu raze X sau cu lumină.

Dar iată că există o tehnologie de imagistică ce combină lumina cu sunetul și promite avantajele ambelor. Denumită explicit ‘imagistică foto-acustică’, această tehnică se bazează pe efectul foto-acustic descoperit de inventatorul Alexander Graham Bell în 1880.

Photoacoustic image of blood vessels in a human palm. The colour scale shows the depth of individual vessels.
Imagine foto-acustică a vaselor de sânge dintr-o palmă umană. Scara de culori arată adâncimea vaselor individuale.
Matsumoto și colab. (2018) cientific Reports (Rapoarte științifice), CC BY 4.0

Cum funcționează imagistica foto-acustică

Aşa cum a descoperit Bell cu mai mult de un secol în urmă, anumite materiale emit unde sonore când sunt lovite cu pulsuri de lumină rapide. Pentru a înțelege de ce se întâmplă astfel, ar fi util să ne gândim la acest proces ca având două faze consecutive.

În prima fază, absorbția luminii de către material generează căldură – un efect cunoscut de toţi cei care au lăsat o mașină parcată afară într-o zi însorită. Energia luminoasă determină moleculele din materialul expus să intre într-o stare de energie înaltă, o stare ‘excitată’. Însă această stare nu este stabilă: cam într-o miime de miliardime de secundă moleculele revin la starea lor stabilă, anterioară, prin emiterea de energie termică. Același proces se întâmplă şi când iluminăm cu laser o celulă: anumite molecule, numite cromofori sau pigmenți, absorb energia luminii și apoi se încălzesc.

În cea de-a doua fază, căldura generează schimbări de presiune – deoarece orice obiect se dilată când este încălzit. Dacă acest lucru se întâmplă cu pigmenții din interiorul celulei, moleculele de pigment încep să vibreze puternic și să împingă structurile din vecinătate, provocând modificări locale ale presiunii. Totuși, o singură dilatare nu ar fi suficientă ca să se genereze unde sonice. Pentru ca acest lucru să se întâmple, presiunea trebuie să oscileze rapid – adică exact ce se întâmplă dacă laserul este făcut să trimită o succesiune de impulsuri foarte rapide, fiecare având durata de o miliardime de secundă. Dilatările temporare rezultate, alternate cu răcirea și contracția, generează o undă sonoră acută, cu frecvența de 1–100 MHz – adică de aproximativ 50-5000 de ori mai mare decât cea mai înaltă frecvență pe care urechile noastre o pot detecta. Această undă sonoră poate fi detectată și utilizată pentru a reda imagini clare și de înaltă rezoluție ale structurilor biologice, inclusiv a celor care în mod normal sunt ascunse sub alte țesuturi (figura 1).

Figure 1: How photoacoustic imaging works.
Figura 1: Cum funcționează imagistica foto-acustică. Impulsurile laser cauzează emiterea undelor ultrasunet, care sunt captate de detector și folosite pentru a produce imagini ale structurilor din țesut.
Jakub Czuchnowski
Laser pulse: Puls de laser;
Ultrasound detector: Detector de ultrasunete;
Transmission medium (water, ultrasound gel): Mediu de transmisie (apă, gel ultrasonic);
Ultrasound waves: Unde ultrasonice;
Living tissue: Ţesut viu;
Blood vessel: Vase de sânge;
Absorbing molecule (e.g. haemoglobin): Molecule absorbante (ex. hemoglobina)

Utilizarea imageriei foto-acoustice

Abordarea fotoacustică are avantaje distincte față de tehnica imagisticii standard, cunoscută sub numele de microscopie fluorescentă. La aceea, se recurge la adăugarea unui marcator fluorescent la proba de analizat, și apoi se provoacă fluorescenţa (re-emiterea de lumină) printr-un fascicul de lumină având o lungime de undă controlată. Însă în microscopia foto-acustică nu trebuie adăugate molecule suplimentare de tip marker, iar tehnica permite să fie înregistrate toate moleculele absorbante – inclusiv cele prezente în mod natural în organismele vii. În plus, anumite tipuri de molecule pot fi revelate selectiv, prin ajustarea lungimii de undă a luminii de excitație, astfel că folosirea mai multor lungimi de undă ne permite să vedem componente de țesut diferite în aceeași sesiune de analiză.

Imagistica foto-acustică este folosită şi pentru a crea o nouă formă de tomografie – o tehnologie de computer cu ajutorul căreia sunt construite imagini 3D prin integrarea informațiilor digitale. Tomografia foto-acustică se bazează pe faptul că fiecare moleculă absorbantă emite un val de presiune sferică care se propagă în trei dimensiuni. Detectoarele plasate în diferite locații captează impulsurile sosite la secvenţe de timp strânse, iar software-ul folosește acele diferențe de timp pentru a calcula prin tringulaţie punctul din spaţiu de unde provin undele sferice (Ntziachristos et al., 2005).

În practică, undele de presiune provenite de la moleculele singulare sunt prea slabe pentru a fi observate. În tomografia foto-acustică, detectăm de obicei semnale provenind de la miliarde de molecule, care corespund unor aglomerări de 10-1000 de celule. Pentru comparație, în RMN-ul clinic (o formă larg răspândită de tomografie), rezoluția este de ordinul a 1 mm3, care corespunde unui număr de aproximativ un milion de celule.

Aplicaţii medicale

Imageria foto-acustică are un potențial deosebit pentru medicină, unde imagistica științifică este un instrument de diagnostic important și puternic. Ea este potrivită în mod special pentru analizarea structurilor care conțin sânge, deoarece hemoglobina – pigmentul roşu purtător de oxigen în celulele sanguine – apare pregnant în imaginile foto-acustice. O aplicație a imageriei foto-acustice constă în detectarea tumorilor (figura 2). Când tumorile cresc, ele declanșează reorganizarea vaselor de sânge din jur, cauzând de multe ori formarea de noi vase de sânge, într-un proces numit neovascularizare. Aceste vase de sânge pot fi văzute clar prin reglarea laserului la frecvența de absorbție a hemoglobinei. Studiile preliminare sugerează că utilizarea imagisticii foto-acustice pentru evidențierea neovascularizării poate fi mai eficientă la detectarea cancerului de sân decât mamografia cu ultrasunete (Heijblom et al., 2016). Și – spre deosebire de raze X, scanarea CT și scanarea PET – imagistica foto-acustică nu expune pacienții la radiații potențial dăunătoare.

Figure 2: Comparison between X-ray and photoacoustic tomography for breast tumour imaging.
Figura 2: Comparație între tomografia cu raze X și tomografia foto-acustică pentru imagistica tumorală mamară. Pe lângă evitarea radiațiilor dăunătoare, tomografia foto-acustică poate dezvălui creșterea vaselor de sânge asociată cu creșterea tumorii.
Heijblom et al. (2016) European Radiology, CC BY-NC 4.0
X-ray image: Imagine cu raze X;
Combined X-ray and photoacoustic image: Imagine obţinută prin combinare de raze X cu imagine foto-acoustică;
3D photoacoustic image: Imagine 3D foto-acoustică

O altă aplicare semnificativă o găsim în detectarea arteriosclerozei – îngroșarea și întărirea arterelor, care este adesea un precursor al bolilor de inimă sau al accidentului vascular cerebral. Pentru aceasta, imagistica trebuie făcută printr-un endoscop echipat cu o fibră optică. ‘Placa’ grasă care se formează pe interiorul pereților arteriali în arterioscleroză este ușor de distins faţă de țesutul normal, deoarece are un spectru diferit de absorbție (o lungime de undă diferită). Din nou, cercetările preliminare au arătat perspectiva unui diagnostic mai precis.

Aplicaţii de cercetare

Anumite provocări științifice sunt atacate mai bine prin folosirea de ‘organisme model’, precum șoarecii și șobolanii, decât prin studierea directă pe corpul uman. Rozătoarele sunt organisme model importante în biologia cancerului și în neuroștiințe, iar dimensiunile lor mici fac ca imagistica anatomiei lor interne să fie relativ ușoară, deoarece lumina nu trebuie să pătrundă foarte departe. Au fost deja efectuate cu șoareci un număr de studii privind cancerul, la care s-a folosit foto-acustica: de exemplu, urmărirea creșterii și progresiei tumorilor (Jathoul et al., 2015).

Folosirea rozătoarelor ca model ne permite şi să investigăm modul în care funcționează creierul mamiferelor. Există aproximativ 80 de miliarde de neuroni în creierul uman, dar creierul de şoarece are doar aproximativ 70 de milioane, ceea ce face mult mai ușoară analiza imagistică detaliată. Până în prezent, studiile despre creierul rozătoarelor s-au bazat pe tehnologii imagistice care dezvăluie diferite părți ale creierului care ‘se aprind’ în timp ce funcționează. Experimentele tipice implică stimularea unui șoarece cu mirosuri, cu sunete sau cu stimuli vizuali și apoi analizarea imagistică a întregului creier pentru a vedea unde sunt procesate informațiile senzoriale. Tehnologia standard de imagistică utilizată pentru aceasta este RMN-ul funcțional (fMRI). Totuşi, întrucât are o rezoluție spațială destul de slabă, fMRI nu dezvăluie în mod direct care neuroni sunt activi – ci numai acele zone ale creierului care consumă mai multă energie, după cum arată consumul lor de oxigen în timp real. Această limitare a motivat oamenii de știință să dezvolte tehnici şi mai performante pentru a vizualiza mai direct activitatea neuronală. În tomografia foto-acustică, acest lucru se realizează prin evidenţierea modificărilor în concentrația de calciu din chiar interiorul neuronilor.

Tomografia foto-acustică realizată cu ajutorul rozătoarelor promite să fie un instrument puternic, datorită capacităților sale 3D, a câmpului de vedere larg și a rezoluției înalte (Ovsepian et al., 2017). În principiu, este posibil să obţinem imagini ale întregului creier al animalului care se mișcă liber în timp ce își găseşte drumul printr-un labirint sau în timp ce rezolvă alte puzzle-uri. În prezent, imagistica foto-acustică nu dispune de rezoluție suficientă pentru a înregistra, la nivelul neuronului singular, funcționarea creierului întreg, însă la nivel mondial sunt în desfășurare eforturi urmărind acest obiectiv.

Jakub Czuchnowski working with the photoacoustic microscope
Jakub Czuchnowski lucrând cu microscopul foto-acustic construit în laborator la EMBL (Laboratorul European de Biologie Moleculară), Heidelberg. Laserul este vizibil în mod clar.
Marietta Schupp / EMBL

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – EMBL este cel mai important laborator din Europa pentru cercetarea de bază în domeniul biologiei moleculare, şi are sediul în Heidelberg, Germania.

Resources

  • Urmăriți un videoclip care explică principiile și aplicațiile imaginilor foto-acustice.

Institution

EMBL

Author(s)

Jakub Czuchnowski este doctorand în laboratorul lui Robert Prevedel la EMBLw1, Heidelberg, Germania. Jakub a studiat biotehnologia și fizica la Universitatea Jagielloniană din Polonia și a fost întotdeauna interesat de corelaţia dintre progresele tehnologice și cercetarea biologică. El lucrează la dezvoltarea unui sistem foto-acustic pentru studierea progresiei cancerului în modelele de rozătoare, dar explorează și noi metode pentru detectarea semnalelor foto-acustice pentru a depăși limitele tehnice actuale.

Dr. Robert Prevedel este coordonator de grup la EMBLw1 Heidelberg, Germania. Robert deține un doctorat în fizica experimentală de la Universitatea din Viena, Austria, pentru care a dezvoltat noi abordări în domeniul calculului cuantic optic. În timpul studiilor postdoctorale, Robert a lucrat pe metode și instrumente optice inovatoare pentru imagistică, cu accent pe neuroimagistica funcțională în organisme-model mici. Interesele de cercetare actuale constau în dezvoltarea tehnologiilor optice pentru imagistica biomedicală și în aplicarea acestora la întrebările anterior-inaccesibile, din avangarda biologiei.


Review

Articolul de faţă arată cum cercetarea în domeniul fizicii poate aduce o contribuție esenţială în sectorul sănătății – și oferă cititorului o perspectivă asupra imagisticii medicale ce va fi disponibilă în câțiva ani.

Articolul poate fi folosit pentru învățarea bazată pe proiecte despre diferite tehnologii de imagistică, dar și pentru a face ca subiectul undelor din fizică să devină elevilor mai important. Legătura dintre biologie și fizică este şi ea foarte interesantă.

Articolul sprijină şi interesul profesorilor în cercetarea inovatoare, iar modul direct în care a fost scris îi ajută pe profesori să împărtășească informațiile cu elevii – și poate că îi va inspira pe unii dintre elevi să urmeze nivele şcolare ulterioare în domeniul fizicii.

Articolul este potrivit ca exercițiu de înțelegere. Întrebările sugerate includ:

  • Ce i se întâmplă luminii când trece printr-un corp viu sau printr-un țesut biologic?
  • Descrieți un avantaj și un dezavantaj în utilizarea imaginilor cu raze X.
  • De ce sunt limitate imaginile cu ultrasunete pentru clinicieni?
  • Ce sunt cromoforii?
  • Care este avantajul imagisticii foto-acustice în microscopie?

Stephanie Maggi-Pulis, șeful departamentului de fizică, Secretariatul pentru Educația Catolică, Malta




License

CC-BY