Desarrollo y análisis de validez de un nuevo sistema experimental de microscopía fotoacústica de resolución óptica

Abstract

[ES] La necesidad actual de seguir creando y mejorando técnicas de imagen para diagnóstico y pre- vención de enfermedades es el motor de miles de investigaciones en el sector de la biomedicina en todo el mundo. Este TFG se enmarca en la modalidad de imagen de microscopía fotoacústica de resolución óptica (OR-PAM). Esta reciente técnica de imagen, cuyo auge ha tenido lugar durante los últimos 15 años, permite obtener imagenes microscópicas de alta resolución tanto morfológicas como funcionales y cinéticas. Esto es debido a que los agentes de contraste utiliza- dos pueden ser tanto endógenos (hemoglobina, melanina, etc.) como exógenos (nanopartículas o tintes), resultando ser extremadamente útil y eficaz a la hora de detectar cánceres de piel y de mama, así como patologías vasculares en tejidos biológicos, dentro de un largo etcétera de potenciales aplicaciones de esta técnica de imagen. El objetivo de este TFG es el de desarrollar, caracterizar y analizar la validez de un nuevo sistema OR-PAM de bajo coste, utilizando fuentes de luz láser de menor calidad para abaratar su coste total. Para ello, se ha utilizado un diodo láser pulsado (PLD) como fuente de excitación fotoacústica, el cual se ha acoplado a una fibra óptica de núcleo cuadrado, con el objetivo de homogeneizar el patrón no uniforme que ofrece el PLD para conseguir una nueva fuente de luz cuadrada y uniforme. Utilizando una sonda de ultrasonidos phased-array de 128 canales, se han realizado varios tests de adquisición de imágenes fotoacústicas de un target de resolución de la USAF. La validación del sistema montado se ha realizado mediante mediciones de la energía de pulso y la sección transversal del haz en los puntos clave del sistema óptico, así como con la posterior implementación del algoritmo de reconstrucción de imagen de retardo y suma (DAS). También se han obtenido otros parámetros característicos como la resolución lateral, la relación señal a ruido (SNR) y el contraste de la imagen. Este proyecto ha incluido tanto el estudio previo, como el montaje y caracterización del sistema óptico, además del desarollo del algoritmo de reconstrucción de imagen DAS y el análisis de las imágenes fotoacústicas obtenidas.

[EN] The current need to continue creating and improving imaging techniques for diagnosis and dis- ease prevention is the driving force behind thousands of research projects in the biomedical sector worldwide. This TFG is within the frame of optical-resolution photoacoustic microscopy imaging (OR-PAM). This recent imaging technique, which has been gaining interest over the last 15 years, allows to obtain high-resolution microscopic images of morphological, as well as functional and kinetical information. This is due to the fact that the used contrast agents can be both endogenous (haemoglobin, melanin, etc.) and exogenous (nanoparticles or dyes), which results extremely useful and effective when detecting skin and breast cancers, as well as vascu- lar pathologies in biological tissues, over a long list of future potential applications of this new imaging modality. The main objetive of this work is to develop, characterise and analyse the validity of a new low-cost OR-PAM system, using lower quality laser beam sources to reduce its total cost. To this purpose, a pulsed laser diode (PLD) was used as photoacoustic excitation source, which was coupled to a squared-core optical fiber, with the aim of homogenising the non-uniform light pattern offered by the PLD into a square and uniform laser spot. Using a 128-element phased- array ultrasound probe, several tests have been carried out to acquire photoacoustic images of a USAF resolution target. The validation of the assembled system was carried out by laser pulse energy and beam cross-section optical measurements at several key points of the system optics, as well as by the subsequent implementation of the delay-and-sum (DAS) image reconstruction algorithm. Also other PA imaging characteristic parameters such as the lateral resolution, the signal-to-noise ratio (SNR) and the image contrast were obtained. This work has included the preliminary study, the assembly and characterisation of the optical system, the development of the DAS image reconstruction algorithm, as well as the analysis of the acquired photoacoustic images.