Fotoacústica: imagens da interação de luz e som no corpo humano - Prof. Dr. Theo Pavan

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II Escola de Inverno em Física Aplicada a Medicina e Biologia 
Fotoacústica: imagens da interação de 
luz e som no corpo humano
Theo Zeferino Pavan
Professor Doutor do Departamento de Física 
da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto
theozp@usp.br
20 de julho de 2016
Ultrassom
Pavan TZ, et al, Ciência Hoje, 2008
Envelope - RF
Imagem RF
Imagem Modo B
Ultrassom
Ultrassom
Envelope I - Q RF
Modo B 
Anatômica
Modo M 
Movimento
Fluxo Doppler
Power Doppler
Doppler Espectral
Elasticidade
Atenuação
Velocidade do som
Retroespalhamento
Tamanho 
dos espalhadores
Imagens ópticas
Excelente resolução espacial.
Imagens funcionais e moleculares.
Ponto negativo:
Imagens superficiais.
Vasilis Ntziachristos, Nature Methods, 2010
MFP Mean Free Path
TMFP  Transport Mean Free Path
μs′ = μs (1 − g)
Imagem óptica
http://www.nature.com/nrc/journal/v2/n1/full/nrc701.html
Scaling down imaging: molecular mapping of cancer in mice
Nature Reviews Cancer 2, 11-18 (January 2002) | doi:10.1038/nrc701
Fóton
Fóton
Motivação: Imagem Fotoacústica
Fóton
Fóton
Fóton Fóton
Motivação
Ultrassom :
- Excelente resolução espacial, excelente imagens anatômicas.
- Disponível na clínica médica.
- Limitada na visualização de eventos fisiológicos, como concentração 
de hemoglobina oxigenada no sangue.
Imagens ópticas:
-Devido a fenômenos como absorção, é uma excelente ferramenta na 
visualização funcional de eventos fisiológicos (concentração de 
hemoglobina oxigenada, lipídio, etc). 
-Fenômenos como difração e espalhamento limitam a profundidade 
de obtenção de imagens.
Imagem fotoacústica:
Gerar imagens baseadas na absorção da luz a partir de detecção de 
onda ultrassônicas.
Efeito fotoacústico
Inventado por Alexander 
Graham Bell em 1880
Fotofone
Expansão termoelástica
Expansão térmica – Transientes de tensão
Sinal PA é localmente determinado por:
Absorção e 
espalhamento ópticos
Difusividade térmica
Coeficiente 
expansão térmica
Propriedades elásticas
Aumento da temperatura 
mili Kelvin
Temperatura e pressão
Assumindo que as condições de confinamento 
térmico e de tensão são satisfeitas.
Após incidir um pulso de 
laser de curta duração (5 ns) 
no tecido biológico
Pressão
Considere:
ma = 10 cm
-1
F =20 mJ/cm2
p0 = 4 x 10
4 Pa
Temperatura
T = 0,05 K
Imagem fotoacústica
Pavan TZ et al, Ciência Hoje, 2014
Imagem Fotoacústica
Imagem fotoacústica
Benefícios do ultrassom aliados aos benefícios 
proporcionados pelas imagens ópticas
Imagem óptica 
mediada pelo ultrassom 
Imagem de ultrassom 
com contraste óptico 
Imagem fotoacústica
BOOM!!!
D = Vsom x tempo
Reconstrução da imagem usando array linear
Array de sensores
x-
po
si
tio
n 
[m
m
]
y-position [mm]
 
 
-10 -5 0 5 10
-4
-2
0
2
4
Distribuição dos absorvedores de luz
Pressão inicial
www.k-wave.org
x-
po
si
tio
n 
[m
m
]
y-position [mm]
 
 
-10 -5 0 5 10
-4
-2
0
2
4
Reconstruída
Ti
m
e 
S
te
p 
( m
s)
Sensor Position (mm)
 
 
-10 -5 0 5 10
0
5
10
15
Treeby B.E., Cox B.T., JBO, 2010
Feixe de Laser
Teste de resolução do sistema
Transdutor de ultrassom
128 elementos – 7,5 MHz
Laser Nd:YAG
120 mJ – 5 ns
1064 nm
Fio de cabelo
Água
Trigger
Delay
Reconstrução da imagem usando array linear
20 40 60 80 100 120
100
200
300
400
500
600
700
800
900
20 40 60 80 100 120
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
20 40 60 80 100 120
100
200
300
400
500
600
700
800
900
20 40 60 80 100 120
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Modo B Mapa de pressão
Atraso e soma Fourier
Tipo de 
Reconstrução:
Exemplo de Imagem em Phantom
Tomografia Fotoacústica
Sensor Position
Ti
m
e 
S
te
p 
( m
s)
10 20 30 40 50
0
2
4
6
8
10
12
Laser
Amostra
Trasdutor
ultrassônico
Treeby B.E., Cox B.T., JBO, 2010
www.k-wave.org
Feixe de 
Laser
Coeficiente de absorção óptico
Janela óptica
Imagens funcionais do cérebro
Wang, et al., Nature Biotechnology, 2003
Regiões em 
escala de cinza
Regiões em 
mapa de cor
Rato em repouso e 
mostram a anatomia do 
cérebro. 
Obtidas enquanto os 
bigodes do rato eram 
estimulados.
Pulsos de Laser  532 nm
Microscopia fotoacústica funcional
Wang, et al, Nature Photonics, 2009; Zheng et al., Nature Biotechnology, 2006
Montagem experimental
SO2 em vasos subcutâneos  l: 570 - 600 nm
Contraste exógeno
Contrastes exógenos desenvolvidos para imagem 
fotoacústica consistem de corantes biocompatíveis ou 
nanopartículas altamente absorvedoras. 
Essas substâncias podem estar ligadas a estruturas 
alvos de biomarcadores na regiões de interesse. 
Exemplo  Azul de metileno, Indiocianina verde. 
Exemplo  Nanopartículas de ouro tem seu pico de 
absorbância ajustável dependendo da ressonância 
plasmônica de superfície determinada por sua forma 
e dimensão.
Slide cedido pelo Prof. 
Stanislav Emelianov
Slide cedido pelo Prof. 
Stanislav Emelianov
Imagem molecular fotoacústica
Contraste exógeno: nanopartículas
• Imagem fotoacústica espectrocópica
foram feitas usando pulsos de laser entre 
740 e 900 nm. 
• Nanopartículas com pico de absorção
em 800 nm. 
Homan, KA., et al., ACSNano, 2011 Agradecimento: Prof. Stanislav Emelianov University of Texas - Austin
220 nm
25 nm
128 nm
60 nm
Imagem molecular fotoacústica
Contraste exógeno: nanopartículas
Agradecimento: Prof. Stanislav Emelianov
Georgia Tech University
Homan, KA., et al., ACSNano, 2011
Modelo animal em rato
Sinal fotoacústico e temperatura
Parâmetro de Gruenesein
Depende da temperatura do meio
Em tecidos a 
base de água 
e gordurosos
Velocidade do som
Coeficiente de 
expansão térmica
Modificados 
com a 
TEMPERATURA
10% aumento do sinal fotoacústico para 
aumento de 10°C na temperatura
Água
Monitorar Temperatura
Monitorar Temperatura
Imagem Fotoacústica Imagem Térmica
Hipertermia
Método terapêutico para tratamento de 
neoplasias, entre elas câncer, por elevação 
de temperatura tecidual.
Morte celular.
Sinergia com radioterapia e quimioterapia.
HIFU
Hipertermia magnética
Terapia fototérmica
Hipertermia
Monitoramento de temperatura em 
procedimentos de hipertermia:
Termopares  Invasivo + baixa resolução 
espacial. 
Ultrassom  Baixa sensibilidade .
Ressonância Magnética  Tempo para 
aquisição da imagem, dimensão, custo.
Termografia por infravermelho  Superficial.
Terapia fototérmica
Nanopartículas com alta absorção óptica no 
infravermelho próximo são introduzidas na 
corrente sanguínea.
Depois de as nanopartículas terem se 
acumulado no tecido tumoral, laser CW é usado.
Comprimento de onda do laser coincidente com 
ressonância plasmônica das nanopartículas.
Absorção óptica  Elevação temperatura.
Terapia fototérmica
Nanobastões de ouro 
recobertos com sílica 
Kim et al. IEEE TUFFC,
vol. 61, no. 5, May 2014
Terapia fototérmica
Kim et al. IEEE TUFFC, vol. 61, no. 5, May 2014
Conclusão
A imagem fotoacústica tem agregado informações 
funcionais e moleculares às imagens de ultrassom, que 
apresentam características essencialmente mecânicas do 
tecido.
Aumentar a profundidade de imagens baseadas em 
contrastes ópticos. 
O uso de contraste, como corantes e nanopartículas, 
aumentam ainda mais as possibilidadesde se acessar 
eventos em níveis celulares e moleculares.
Estudos mostram que a imagem fotoacústica pode ser 
uma ferramenta valiosa para monitoramento da 
temperatura durante procedimentos de hipertermia.
Nosso Laboratório de Fotoacústica
Outras energias
Termoacústica
Outras formas de energia 
eletromagnética podem ser usadas.
Obrigado
Grupo de Inovação em Instrumentação Médica e Ultrassom
www.giimus.usp.br
Contato: theozp@usp.br
Confinamento de tensão
Sob confinamento de tensão o tecido irradiado não 
tem tempo suficiente para relaxar e expandir durante 
o pulso de laser. 
Nessas condições ocorre a geração da tensão 
termoelástica com maior eficiência.
Xu and Wang, Rev. Sci. Instrum. 77, 041101, 2006
velocidade do som c = 1500 m/s
Resolução espacial de L = 100 mm ts = 67 ns
Essa condição é satisfeita quando a duração do pulso 
de laser é bem menor que o tempo de difusão 
térmica.
Portanto, a condição de confinamento térmico 
normalmente é satisfeita.
Confinamento térmico
Resolução espacial
Difusividade térmica típica de tecidos moles
Xu and Wang, Rev. Sci. Instrum. 77, 041101, 2006
Reconstrução da imagem
A reconstrução da distribuição de pressão no instante 
em que o laser é absorvido pelo tecido pode ser obtida 
por meio da solução da equação acima e usando 
técnicas de retro projeção.
A equação da onda gerada devido ao efeito 
fotoacústico pode ser escrita como:
Microscopia fotoacústica funcional
Wang, et al, Nature Photonics, 2009; Zheng et al., Nature Biotechnology, 2006
Montagem experimental
Melanoma  Imagens em 534 nm e 764 nm
SO2 em vasos subcutâneos  l: 570 - 600 nm
Sinal fotoacústico e temperatura
Parâmetro de Gruenesein
Depende da temperatura do meio