La tomographie photoacoustique quantitative (QPAT) est une technique d'imagerie médicale qui combine des signaux photoacoustiques induits par laser et une détection par ultrasons pour créer des images tridimensionnelles détaillées de tissus biologiques. Le processus consiste à irradier les tissus biologiques avec de courtes impulsions laser. Ces impulsions sont absorbées par des molécules absorbant la lumière (chromophores) dans les tissus, entraînant un échauffement rapide et la génération d'ondes ultrasonores ou de signaux acoustiques.
La distribution résultante de la pression acoustique est mesurée et enregistrée au fil du temps, formant une série temporelle photoacoustique utilisée pour reconstruire une image tissulaire tridimensionnelle. En tomographie photoacoustique, les impulsions laser sont dispersées sur une zone tissulaire plus large plutôt que focalisées sur une région spécifique. Pour produire l'image tissulaire finale, il est crucial d'estimer les propriétés optiques des tissus à partir de la série chronologique photoacoustique mesurée.
Dans une revue publiée dans le Journal of Biomedical Optics (JBO) , Tanja Tarvainen de l'Université de Finlande orientale et Ben Cox de l'University College London discutent de la partie optique ou de l'aspect génération d'images de QPAT.
"Notre étude se concentre sur les mathématiques de la partie optique", explique Tarvainen. "Il examine la réflexion actuelle sur deux problèmes liés:quelle est la meilleure façon de décrire mathématiquement la propagation de la lumière et son interaction avec les tissus biologiques? Compte tenu des mesures photoacoustiques, que pouvons-nous apprendre, en principe, sur les propriétés optiques des tissus, ou même sur les propriétés connexes et plus pertinentes sur le plan clinique telles que l'oxygénation du sang ?
La revue commence par présenter des modèles mathématiques couramment utilisés pour décrire la propagation de la lumière et du son dans les tissus biologiques, en particulier l'équation de transfert radiatif (RTE) et ses approximations. Ces équations décrivent le mouvement de la lumière à travers un milieu, en tenant compte de son absorption, de sa diffusion et de son émission. Dans QPAT, le RTE sert de modèle pour comprendre comment la lumière interagit avec les tissus biologiques, en supposant l'énergie constante des photons lors des collisions élastiques et un indice de réfraction constant du milieu.
La revue introduit ensuite le paramètre Grüneisen, qui relie l'énergie optique absorbée par les tissus à la distribution initiale de la pression acoustique. Les équations de propagation des ondes acoustiques dans les tissus biologiques sont également mises en évidence.
Ensuite, les chercheurs discutent du problème inverse photoacoustique qui consiste à estimer les concentrations de molécules absorbant la lumière dans les tissus biologiques. Il y a deux problèmes inverses dans QPAT. Dans le problème acoustique inverse, la distribution de la pression acoustique est déterminée à partir de la série temporelle photoacoustique mesurée.
Cependant, cette revue se concentre sur le problème optique inverse, où les distributions des paramètres optiques sont estimées à partir de la densité d'énergie optique absorbée. La résolution de problèmes inverses est importante pour obtenir des estimations précises de paramètres cliniquement importants, tels que les concentrations d'oxyhémoglobine et de désoxyhémoglobine, qui sont des indicateurs des niveaux de saturation en oxygène du sang.
Les auteurs décrivent deux approches du problème inverse optique dans QPAT :une estimation directe des concentrations de chromophores à partir des données de densité d'énergie optique absorbée et un processus en deux étapes impliquant la récupération des coefficients d'absorption, suivi d'une inversion spectroscopique pour calculer la concentration.
Enfin, l'examen aborde les défis associés à la mise en œuvre pratique du QPAT. Il s'agit notamment de l'effet de la diffusion optique, de la variation de l'absorption de l'énergie optique par les tissus (effet de fluence), de la nécessité de méthodes de calcul intensives et des incertitudes sur les paramètres utilisés comme entrées dans les modèles, tels que le Grüneisen. paramètre.
"Bien que QPAT soit une méthodologie prometteuse pour fournir des images 3D haute résolution de paramètres physiologiquement pertinents, de nombreux défis basés sur la modélisation informatique doivent être résolus avant que la technique puisse être développée en tant qu'outil clinique ou préclinique standard", explique Tarvainen.
QPAT est très prometteur en matière d’imagerie médicale et de diagnostic non invasifs. Les sujets abordés dans la présente revue peuvent guider le développement de stratégies visant à améliorer la précision et la fiabilité de QPAT dans des scénarios du monde réel.
Plus d'informations : Tanja Tarvainen et al, Tomographie photoacoustique quantitative :modélisation et problèmes inverses, Journal of Biomedical Optics (2023). DOI :10.1117/1.JBO.29.S1.S11509
Informations sur le journal : Journal d'optique biomédicale
Fourni par SPIE
