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MEDICAL 14 -
MAGGIO 2017
PHOTOACOUSTIC
IMAGING
La spettroscopia fotoacustica è una tecnica sensoristica già
nota a livello industriale, che consente di rivelare le onde so-
nore generate da alcune sostanze quando sono irradiate dalla
luce. In pratica, consiste nel focalizzare l’emissione di un laser
impulsato su un piccolo volume di molecole gassose o liquide,
le quali si scaldano e si raffreddano sincronizzandosi con il pe-
riodo degli impulsi laser e perciò periodicamente si allargano
per distanziarsi e subito dopo si riavvicinano. Di conseguenza,
il loro volume si dilata e si restringe generando onde di pres-
sione che si propagano nel materiale al di fuori del bersaglio
proprio come le onde sonore. Ripetendo gli impulsi fra una
decina di Hz e qualche kHz in base alla densità del materiale
si ottengono onde acustiche nell’ordine dei MHz e cioè nel-
la banda degli ultrasuoni che sono rilevabili con trasduttori a
basso costo. Per queste onde acustiche si parla anche di fono-
ni per analogia con i fotoni delle onde elettromagnetiche ma
ciò che interessa ai fini applicativi è la loro correlazione con la
luce incidente. A seconda della composizione delle molecole,
infatti, si riscontra un ben preciso spettro di risonanza fotoa-
custica e ciò consente di implemen-
tare effetti selettivi di grande effica-
cia difficilmente ottenibili con altre
tecnologie di ispezione. La qualità
della visualizzazione offerta dalla
spettroscopia fotoacustica nelle
analisi chimiche prevalentemente
orientate alle applicazioni industria-
li, ha recentemente indotto molti
laboratori a sperimentare questa
tecnologia nella rilevazione delle
molecole organiche ai fini medica-
li. La Photoacoustic Imaging (PAI)
o visualizzazione di immagini, ottenute grazie all’effetto foto-
acustico, si implementa usando un laser a impulsi con lun-
ghezza d’onda nel vicino infrarosso non ionizzante e perciò,
innanzi tutto, di comprovata tollerabilità sui tessuti e, in secon-
do luogo, sufficientemente corti per non causare diffrazione
ottica. Con questi impulsi si irradia un tessuto organico, dietro
al quale o lateralmente a esso si posiziona un sensore a ultra-
suoni, che può pertanto captare le onde acustiche prodotte
dall’eccitazione laser sul tessuto. Gli impulsi riescono a pene-
trare per qualche cm (ma i test dimostrano che si può arrivare
a ben oltre 10 cmdi profondità) nel tessuto organico inmodo
indolore a eccezione di un debole calore del tutto innocuo
e si può tenere conto
della distanza percorsa
misurando il tempo di
viaggio intracorporeo.
Con questo approccio è
possibile distinguere la
presenza di talune ben
precise molecole nel
sangue o in altre cellule
e individuare in modo non invasivo le patologie più critiche
come, per esempio, le metastasi tumorali, senza bisogno di
ricorrere ad agenti radioattivi o a radiazioni ionizzanti la cui
tollerabilità sui tessuti è tutt’oggi ancora discussa. Inoltre, la ri-
soluzione delle immagini fotoacustiche è dell’ordine di qual-
che decina di nm e quindi notevolmente superiore non solo
rispetto a tutte le attuali tecnologie ambulatoriali, ma anche
rispetto alle tecnologie d’imaging medicale, che richiedono
sedi ospedaliere attrezzate, come per esempio la tomografia
ottica a coerenza di fase (OCT). L’imaging fotoacustico ha
già due varianti, che sono la tomografia Photoacoustic To-
mography (PAT) e la microscopia Photoacoustic Microscopy
(PAM), che si differenziano per la risoluzione delle immagini
e per la geometria di posizionamento dei trasduttori ultra-
sonici, ma non v’è dubbio che le applicazioni per entrambe
siano appena agli albori. Un test già sperimentato con succes-
so è la valutazione fotoacustica della forma dei globuli rossi
dall’esterno e cioè senza contatto diretto con il sangue. Si trat-
ta di una tecnica diagnostica di grande importanza perché,
quando i globuli rossi sono contaminati da un batterio o da
un virus, si ingrossano e se invece sono infettati dalla melani-
na tumorale perdono il tipico colore rosso diventando neri.
Ciò consente di valutare dall’esterno il loro stato di salute e
individuare le patologie eventualmente presenti direttamente
sul paziente, senza dargli alcun fastidio. Sono già state fatte
sperimentazioni sulla rivelazione fotoacustica di una varietà
di molecole e microrganismi contenenti sostanze cromofore,
ovverosia sensibili su talune lunghezze d’onda e si è anche ca-
pito che alcune cambiano la lunghezza d’onda di risonanza
in funzione della temperatura e quindi per esempio in funzio-
ne della patologia in corso. Per l’imaging fotoacustico basta
un laser al neodimio (Nd:YAG) sufficientemente palmare ed
economico per essere alla portata di tutti i medici e, inoltre, i
test si fanno in tempo reale, senza alcun malessere per chi li
affronta e con un’efficacia diagnostica notevolmentemigliore
Lucio Pellizzari
Sensori di
visione acustici
Sono europei i pionieri nell’imaging fotoacustico e con questa innovativa tecnologia si
realizzano sensori medicali con risoluzione a livello molecolare utilizzabili direttamente
sulle persone senza alcun fastidio
Medical
Fig. 2
– Recendt è riuscita a focalizzare
in 1 µm3 degli impulsi di pochi femtose-
condi e grazie a un trasduttore acustico
brevettato può visualizzare immagini tri-
dimensionali delle molecole
Fig. 1
– Lo scanner fotoa-
custico palmare realizzato
da Quantel consente di indi-
viduare istantaneamente le
molecole malate con gran-
de precisione e un’estrema
semplicità d’uso