As imagens fotoacústicas são baseadas no efeito fotoacústico que consiste na emissão de ondas acústicas após a absorção da luz por um material. A magnitude das ondas acústicas emitidas é proporcional às características térmicas e mecânicas do meio, do seu coeficiente de absorção óptica e da fluência local da luz. Desta forma, as imagens fotoacústicas são capazes de codificar a absorção óptica do material alvo em ondas acústicas combinando o contraste das imagens puramente ópticas com a resolução espacial da ultrassonografia. Essa combinação resulta em uma técnica de imagem com enorme potencial para aplicações biomédicas como, por exemplo, diagnóstico de tumores, medida de oxigenação sanguínea, detecção de lipídios em órgãos, termometria de tecidos e rastreamento de biomarcadores. Neste trabalho foram desenvolvidos sistemas para a aquisição de sinais fotoacústicos unidimensionais e imagens fotoacústicas multiespectrais. A aquisição de sinais fotoacústicos unidimensionais proporcionou a caracterização óptica relativa de cromóforos inorgânicos. Os valores relativos do espectro de absorção óptica obtidos pela amplitude do sinal fotoacústico foram comparados com dados fornecidos por um espectrofotômetro, resultando em valores substanciais de concordância de Lin (ρc > 0,95). As limitações e possibilidades de melhoramento da técnica de medida absoluta da absorção óptica pelo do ajuste da parte compressiva inicial do sinal fotoacústico foram estudas por meio de simulações e experimentos. Os resultados mostram procedimentos aprimorados capazes de estimar o coeficiente de absorção óptica com valores substanciais de concordância de Lin quando comparados com os valores tabelados da literatura. Para a aquisição de imagens fotoacústicas, o desenvolvimento de uma nova estratégia de iluminação, multiangular pelo eixo longo do transdutor linear de ultrassom, permitiu uma melhor entrega de luz a alvos menores que a largura desse transdutor, gerando imagens fotoacústicas com qualidade suficiente para a aplicação em pesquisa pré-clínica e clínica. Por exemplo, imagens fotoacústicas do dedo indicador de um voluntário e de tumores de camundongos, com alta relação sinal ruído, são reportadas. Por fim, foi realizada a avaliação multiespectral do novo esquema de iluminação para a medida de oxigenação sanguínea em humanos, camundongos e tumores desenvolvidos em modelo animal. Em condição de normóxia, a estimativa da saturação da oxigenação sanguínea em humanos e no camundongo saudável apresentou valores próximos de 95% em vasos sanguíneos e artérias. Para os tumores desenvolvidos em modelo animal, a combinação de imagens de ultrassonografia convencional, imagens fotoacústicas de único comprimento de onda e imagens fotoacústicas multiespectrais forneceram informações anatômicas e funcionais para a caracterização da massa tumoral. Os resultados mostram a presença de sangue oxigenado em vasos sanguíneos bem estruturados no entorno da massa tumoral e uma distribuição heterogênea de sangue oxigenado com a presença de regiões hipóxicas no interior do tumor.

Photoacoustic images are based on the photoacoustic effect which consists in the emission of acoustic waves due to the light absorption by a material. The magnitude of the emitted acoustic waves is proportional to the thermal and mechanical characteristics of the medium, the optical absorption coefficient and the local light fluence. Thus, photoacoustic images are able to encode the optical absorption of material into acoustic waves, combining the contrast of purely optical imaging technique with the spatial resolution of ultrasound. This combination results in an imaging technique with huge potential for biomedical applications, for example, tumor diagnosis, blood oxygen measurement, lipid detection in organs, tissue thermometry and biomarker tracking. In this Ph.D. work, systems were developed for the acquisition of unidimensional photoacoustic signals and multispectral photoacoustic images. The acquisition of unidimensional photoacoustic signals provided the optical characterization of inorganic chromophores. The relative values of the optical absorption spectrum obtained by the amplitude of the photoacoustic signal were compared with data provided by a spectrophotometer, resulting in substantial Lin"s concordance values (ρc > 0.95). The limitations and possibilities for improving the technique for optical absorption absolute measurement by fitting the initial compressive part of the photoacoustic signal were studied by means of simulations and experiments. The results showed improved procedures capable of estimating the absolute optical absorption coefficient with substantial Lin" concordance values when compared with the tabulated values from the literature. For the acquisition of photoacoustic images, the development of a new illumination scheme, multiangular by the long-axis of the linear ultrasound transducer, allowed an improved light delivery to targets smaller than the transducer"s width, generating photoacoustic images with sufficient quality for the application in preclinical and clinical research. For example, photoacoustic images of a volunteer's index finger and mouse tumors, with a high signal-to-noise ratio, are reported. Finally, the multispectral evaluation of the new illumination scheme for the measurement of blood oxygenation in humans, mice and mouse xenograft models was performed. In a normoxic condition, the estimated blood oxygen saturation in humans and in healthy mice showed values close to 95% in blood vessels and arteries. For the xenograft models, the combination of conventional ultrasound images, single-wavelength photoacoustic images and multispectral photoacoustic images provided anatomical and functional information for the characterization of the tumor mass. The results showed the presence of oxygenated blood in well-structured blood vessels around the tumor mass and a heterogeneous distribution of oxygenated blood with the presence of hypoxic regions within the tumor.