Feasibility, development and characterization of a photoacoustic microscopy system for biomedical applications

The present thesis is about the development and the characterization of a photoacoustic microscopy system to be used in biomedical applications, like cancer cells detection or imaging of superficial blood vessels. Photoacoustic microscopy is an imaging technique which combines strong optical contrast and high ultrasonic resolution in a single modality. The need of making pictures of tumors deeply embedded into tissues, with a high spatial resolution, justifis the interest of the research community worldwide toward photoacoustic imaging technologies, which has considerably grown in the last decade. In photoacoustic imaging modalities, light waves are converted into acoustic ones thanks to the absorption of the optical radiation by the target and its following conversion into heat. This process is called photoacoustic effect. In the first part of this thesis work, the principal photoacoustic techniques, their functioning principles and their state-of-the-art features are described. After this, the theory that rules photon migration in turbid biological media and photoacoustic wave generation, propagation and revelation is presented. The second part of the thesis, instead, is about the work carried out at Lund University in Sweden, which aims to develop a photoacoustic microscopy system by using a standard commercial ultrasonic scanner (Ultrasonix Sonix RP), equipped with a normal linear transducer (L14-5/38). This scanner has a very high potential of adaptability and programmability. The focus of the project is to maximize penetration depth, even if, in this case, resolution cannot be better than several hundreds of microns. Finally, the principal characteristics of the developed system are described, evaluated and compared to other photoacoustic imaging systems.

Questo lavoro di tesi riguarda lo sviluppo e la caratterizzazione di un sistema di microscopia fotoacustica per applicazioni in campo biomedicale, come, ad esempio, rivelazione di cellule tumorali o mappatura dei vasi sanguigni superficiali. La microscopia fotoacustica è una tecnica di realizzazione di immagini che combina, in un'unica modalità, un forte contrasto, tipico delle tecniche ottiche, con un'alta risoluzione, tipica delle tecniche ad ultrasuoni. La necessità di realizzare immagini precise di tumori, situati in profondità nei tessuti, giustifica l'interesse della comunità scientifica mondiale per le tecniche fotoacustiche. Negli ultimi dieci anni, infatti, questo interesse è cresciuto notevolmente. Nelle tecniche fotoacustiche, la luce laser, iniettata nei tessuti, viene trasformata in onde acustiche grazie all'assorbimento e alla conversione in calore della radiazione elettromagnetica da parte dell'oggetto da individuare. Tale processo è chiamato effetto fotoacustico. Nella prima parte di questo lavoro di tesi, sono descritte le principali tecniche fotoacustiche, il loro funzionamento e il loro stato dell'arte. Segue poi la teoria che modellizza il trasporto dei fotoni all'interno di mezzi torbidi. Viene descritta, infine, la generazione, la propagazione e la rivelazione delle onde fotoacustiche. La seconda parte della tesi, invece, riguarda il lavoro effettuato presso l'Università di Lund, in Svezia. La sua finalità consiste nello sviluppare un sistema di microscopia fotoacustica tramite l'uso di una macchina per la rivelazione di ultrasuoni disponibile commercialmente (Ultrasonix Sonix RP), equipaggiata con un normale trasduttore ultrasonico lineare (L14-5/38). La macchina utilizzata nel progetto, sebbene normalmente impiegata nella realizzazione di immagini ecografiche, può essere modificata opportunamente per ottenere immagini fotoacustiche, grazie alle sue elevate capacità di adattabilità e programmabilità. In questo progetto di tesi, ci si è focalizzati principalmente sulla massimizzazione della profondità di penetrazione della tecnica, a scapito della risoluzione spaziale, che, in questo caso, non può scendere al di sotto di alcune centinaia di micron. Il sistema sviluppato, infine, viene caratterizzato grazie all'uso di sistemi modello, che simulano i tessuti biologici, e le sue caratteristiche sono confrontate con quelle di altri sistemi fotoacustici per la realizzazione di immagini.