Diseño de un transductor focalizado de ultrasonidos y evaluación de algoritmos de compensación de respuesta impulsional para un microscopio fotoacústico de resolución óptica

Abstract

[ES] La microscopía fotoacústica de resolución óptica (OR-PAM) es una nueva técnica de imagen biomédica, la cual combina la excitación óptica de diferentes moléculas absorbentes con la detección acústica de las ondas de ultrasonidos generadas, ofreciendo imágenes de alta resolución de cromóforos endógenos como la hemoglobina o la melanina. El presente trabajo se enmarca en la creación de la segunda generación de un prototipo OR-PAM, el cual se basa en el uso de una fuente láser de bajo coste (diodo láser pulsado o PLD) para reducir el coste del sistema. Debido a que está orientado a la práctica clínica, tanto la calidad como el tiempo de adquisición de la imagen deben ser optimizados. Para ello, se ha diseñado un transductor de ultrasonidos focalizado monoelemento, tanto la geometría como la respuesta en frecuencia, para proporcionar una detección de alta sensibilidad de la señal fotoacústica de baja amplitud generada. Además, debido al uso de un método de escaneo láser rápido el cual mueve el punto focal óptico a lo largo del área de imagen, la señal sufre fuertes distorsiones en puntos descentrados lejos de la zona de sensibilidad del transductor. Como solución, se ha realizado un estudio de simulación para la implementación de tres algoritmos basados en la respuesta espacial del transductor Spatially-Variant Filter (SVF), Spatial Matched Filter (SMF) y Weighted Back-Projection (WBP), analizando y caracterizando su rendimiento en la compensación de dicho efecto. Las imágenes fotoacústicas obtenidas muestran una mejora sustancial de la relación señal a ruido, ampliando el campo de visión efectivo de la imagen en un orden de magnitud (desde 0.1 hasta 1 mm2), lo cual supone un gran avance en la implementación de sistemas OR-PAM competitivos y de bajo coste en aplicaciones clínicas.

[EN] Optical resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging biomedical imaging technique, which combines optical excitation of different absorbing molecules with acoustic detection of the generated ultrasound waves, providing high resolution images of endogenous chromophores such as hemoglobin or melanin. The present work is framed within the creation of the second generation of an OR-PAM prototype, which is based on the use of a low-cost laser source (pulsed laser diode or PLD) to reduce the cost of the system. Because it is oriented to clinical practice, both the quality and the image acquisition time must be optimized. For this purpose, a single-element focused ultrasound transducer has been designed, both its geometry and frequency response, to provide high-sensitivity detection of the generated low-amplitude photoacoustic signal. In addition, due to the use of a fast laser-scanning method which moves the optical focal spot along the imaging area, the signal suffers strong distortions at off-centered positions away from the transducer sensitivity zone. As a solution, a simulation study has been carried out for the implementation of three impulse response-based algorithms Spatially-Variant Filter (SVF), Spatial Matched Filter (SMF) and Weighted Back-Projection (WBP), analyzing and characterizing their performance in the compensation of this effect. The obtained photoacoustic images show a substantial signal-to-noise ratio improvement, extending the effective field of view of the image by an order of magnitude (from 0.1 to 1 mm2), which represents a breakthrough in the implementation of competitive and low-cost OR-PAM systems in clinical applications.

[CAT] Lamicrosc`opiafotoac´usticaderesoluci´o`optica(OR-PAM)´esunanovat`ecnicad'imatgebiom`edica, laqualcombinal'excitaci´o`opticadediferentsmol`eculesabsorbentsambladetecci´oac´usticade lesonesd'ultrasonsgenerades,oferintimatgesd'altaresoluci´odecrom`oforsend`ogenscomla hemoglobinaolamelanina.Aquesttreballs'emmarcaenlacreaci´odelasegonageneraci´od'un prototipOR-PAM,elqualesbasaenl'´usd'unafontl`aserdebaixcost(d´ıodel`aserpolsatoPLD) perreduirelcostdelsistema.Perlaseuaorientaci´oalapr`acticacl´ınica,tantlaqualitatcomel tempsd'adquisici´odelaimatgehandeseroptimitzats.Peraix`o,s'hadissenyatuntransductor d'ultrasonsfocalitzatmonoelement,tantlageometriacomlarespostaenfreq¨u`encia,perproporcionarunadetecci´od'altasensibilitatdelsenyalfotoac´usticdebaixaamplitudgenerada.Am´es, acausadel’´usd'unm`etoded’escaneigl`aserr`apidquemouelpuntfocal`opticalllargdel'`area d'imatge,elsenyalpateixfortesdistorsionsenpuntsdescentratsllunydelazonadesensibilitat deltransductor.Comasoluci´o,s'harealitzatunestudidesimulaci´operalaimplementaci´ode tresalgoritmesbasatsenlarespostaalimpulsespacialdeltransductorSpatially-VariantFilter (SVF),SpatialMatchedFilter(SMF)iWeightedBack-Projection(WBP),analitzanticaracteritzantelrendimentenlacompensaci´od'aquestefecte.Lesimatgesfotoac´ustiquesobtingudes mostrenunamillorasubstancialdelarelaci´osenyalasoroll,ampliantelcampdevisi´oefectiude laimatgeenunordredemagnitud(desde0.1finsa1mm2),laqualcosasuposaungranaven¸c enlaimplementaci´odesistemesOR-PAMcompetitiusidebaixcostenaplicacionscl´ıniques.