Obrazowanie optoakustyczne (fotoakustyczne) przyciąga coraz większe zainteresowanie ze strony społeczności badaczy biologicznych i medycznych, czego przejawem jest stale rosnąca liczba publikacji obejmujących różnorodność nowych zastosowań, które wykorzystują unikalne zalety oferowane przez technologię 1-5. W szczególności zdolność do obrazowania charakterystycznych spektralnie środków pochłaniających światło o wysokiej rozdzielczości czasoprzestrzennej na głębokościach znacznie wykraczających poza dyfuzyjny limit światła otwiera bezprecedensowe możliwości w zakresie obrazowania funkcjonalnego i molekularnego 6-10.
Rzeczywiście, przełożenie technologii optoakustycznej na praktykę kliniczną przynosi obiecujące perspektywy w diagnostyce i monitorowaniu leczenia wielu chorób. Jednak ograniczona propagacja fotonów w tkankach rozpraszających optycznie i absorbujących oraz ogólnie słabe reakcje związane ze zjawiskiem optoakustycznym ograniczają odpowiednią głębokość metody. W rezultacie, ręczne sondy optoakustyczne zostały poddane próbie obrazowania części dostępnych z zewnątrz ciała 11,12, podczas gdy systemy endoskopowe są używane do dostarczania obrazów z wnętrza ciała poprzez wprowadzanie ich przez naturalne otwory 13. Niektóre niskochłonne części ludzkiego ciała, takie jak kobiece piersi, są również dostępne za pomocą tomograficznych skanerów optoakustycznych 14,15. Szczególnie interesujące jest podejście ręczne, ponieważ umożliwia dużą wszechstronność, podobnie jak w przypadku ultrasonografii. W tym przypadku adaptacja popularnych ultradźwiękowych sond liniowych do obrazowania optoakustycznego pozostaje wyzwaniem, głównie ze względu na zasadnicze różnice w wymaganiach dotyczących obrazowania tomograficznego między ultrasonografią a optoakustyką. Podczas gdy wysoka liczba klatek na sekundę w standardowej ultrasonografii jest możliwa dzięki sekwencyjnym schematom nadawczo-odbiorczym wykorzystującym wysokie częstotliwości powtarzania impulsów w zakresie kHz, trójwymiarowe obrazowanie optoakustyczne w czasie rzeczywistym uzyskuje się poprzez jednoczesne zbieranie wolumetrycznych danych tomograficznych z pojedynczego impulsu laserowego. Tak więc wysokiej jakości obrazowanie optoakustyczne oznacza pozyskiwanie trójwymiarowych danych z największego możliwego kąta bryłowego wokół obrazowanego obiektu.
Niedawno wprowadziliśmy pierwszą przenośną sondę optoakustyczną do trójwymiarowego (wolumetrycznego) obrazowania w czasie rzeczywistym16. System oparty jest na dwuwymiarowym układzie 256 elementów piezoelektrycznych ułożonych na sferycznej powierzchni (niebieskie kropki na rysunku 1A) obejmujących kąt 90°. Wielkość poszczególnych elementów wynosząca około 3 x 3mm2, a także ich orientacja i szerokość pasma częstotliwości (około 2-6 MHz) gwarantują skuteczne zbieranie sygnału z objętości w skali centymetrowej otaczającej środek kuli (sześcian na rysunku 1A). Wzbudzenie optyczne obszaru obrazowania jest zapewnione za pomocą wiązki światłowodów wprowadzonej przez centralną cylindryczną wnękę matrycy, dzięki czemu do obrazowania można wykorzystać każdą długość fali, która może być transmitowana przez wiązkę światłowodów. Rzeczywisty obraz układu przetworników wraz z wiązką światłowodów pokazano na rysunku 1B. Wydajne wzbudzenie i jednoczesna detekcja sygnałów umożliwia obrazowanie tkanek głębokich z wzbudzeniem pojedynczym strzałem (jeden impuls laserowy), dzięki czemu obrazowanie w czasie rzeczywistym z szybkością klatek określoną przez częstotliwość powtarzania impulsów lasera jest dodatkowo możliwe dzięki implementacji procedury rekonstrukcji przez procesor graficzny (GPU) 17. Cylindryczna obudowa z przezroczystą membraną polietylenową (rysunek 1C) jest przymocowana do układu przetworników w celu zamknięcia akustycznie przepuszczającego ciekłe medium (wodę). Membrana jest dodatkowo sprzężona z tkanką za pomocą żelu akustycznego. Zdjęcie sondy optoakustycznej używanej w trybie pracy ręcznej pokazano na rysunku 1D.
Pokazane trójwymiarowe ręczne obrazowanie optoakustyczne w połączeniu z możliwością funkcjonalnego obrazowania w czasie rzeczywistym przynosi ważne korzyści dla diagnostyki klinicznej, a szereg potencjalnych zastosowań jest przewidzianych dla różnych wskazań, takich jak choroby naczyń obwodowych, zaburzenia układu limfatycznego, rak piersi, zmiany skórne, stany zapalne lub zapalenie stawów 18. Co więcej, szybkie obrazowanie umożliwia wizualizację dynamicznych zdarzeń biologicznych z sondą umieszczoną w pozycji stacjonarnej. W połączeniu z technologią laserową optycznych oscylatorów parametrycznych (OPO) z szybkim dostrojeniem długości fali, podejście to pozwala na obrazowanie w czasie rzeczywistym biodystrybucji środków fotoabsorbujących. W związku z tym nowe możliwości mogą pojawić się również w zastosowaniach obrazowania małych zwierząt, np. w badaniu hemodynamiki tkanek, śledzeniu komórek in vivo, wizualizacji farmakokinetyki, perfuzji narządów, celowanym obrazowaniu molekularnym nowotworów i układu sercowo-naczyniowego lub neuroobrazowaniu.
W tej pracy szczegółowo opisujemy protokół obrazowania eksperymentalnego do obsługi ręcznej sondy optoakustycznej z matrycą sferyczną i prezentujemy wydajność w kilku typowych scenariuszach obrazowania klinicznego i małych zwierząt.