Fotoakustisen kuvantamisen periaatteet

Fotoakustisen kuvantamisen periaatteet

Photoacoustic Imaging (PAI) on lääketieteellinen kuvantamistekniikka, joka yhdistääoptiikkaja akustiikka ultraäänisignaalien tuottamiseksi käyttämällä vuorovaikutustavaloakudoksen kanssa korkearesoluutioisten kudoskuvien saamiseksi. Sitä käytetään laajalti biolääketieteen aloilla, erityisesti kasvainten havaitsemisessa, verisuonten kuvantamisessa, ihon kuvantamisessa ja muilla aloilla.

Periaate:
1. Valon absorptio ja lämpölaajeneminen: – Fotoakustisessa kuvantamisessa käytetään valon absorption tuottamaa lämpövaikutusta. Kudoksen pigmenttimolekyylit (esim. hemoglobiini, melaniini) absorboivat fotoneja (yleensä lähi-infrapunavaloa), jotka muuttuvat lämpöenergiaksi, jolloin paikalliset lämpötilat nousevat.
2. Lämpölaajeneminen aiheuttaa ultraääntä: – Lämpötilan nousu johtaa kudoksen pieneen lämpölaajenemiseen, mikä tuottaa paineaaltoja (eli ultraääntä).
3. Ultraäänitunnistus: – Syntyneet ultraääniaallot etenevät kudoksessa, minkä jälkeen ultraäänianturit (kuten ultraäänianturit) vastaanottavat ja tallentavat nämä signaalit.
4. Kuvan rekonstruktio: kerätty ultraäänisignaali lasketaan ja käsitellään kudoksen rakenteen ja toimintakuvan rakentamiseksi uudelleen, mikä voi tarjota kudoksen optiset absorptio-ominaisuudet. Fotoakustisen kuvantamisen edut: Suuri kontrasti: Fotoakustinen kuvantaminen perustuu kudosten valon absorptio-ominaisuuksiin, ja eri kudoksilla (kuten veri, rasva, lihakset jne.) on erilaiset kyvyt absorboida valoa, joten se voi tuottaa korkeakontrastisia kuvia. Korkea resoluutio: Ultraäänen korkeaa spatiaalista resoluutiota käyttämällä fotoakustisella kuvantamisella voidaan saavuttaa millimetrin tai jopa alimillimetrin kuvantarkkuus. Ei-invasiivinen: Fotoakustinen kuvantaminen on ei-invasiivinen, valo ja ääni eivät aiheuta kudosvaurioita, sopii erittäin hyvin ihmisen lääketieteelliseen diagnoosiin. Syvyyskuvauskyky: Perinteiseen optiseen kuvantamiseen verrattuna fotoakustinen kuvantaminen voi tunkeutua useita senttejä ihon alle, mikä sopii syväkudoskuvaukseen.

Sovellus:
1. Verisuonten kuvantaminen: – Fotoakustisella kuvantamisella voidaan havaita veren hemoglobiinin valoa absorboivat ominaisuudet, joten se voi näyttää tarkasti verisuonten rakenteen ja hapetustilan mikroverenkierron seurantaa ja sairauksien arviointia varten.
2. Kasvainten havaitseminen: – Angiogeneesi kasvainkudoksissa on yleensä erittäin runsasta, ja fotoakustinen kuvantaminen voi auttaa kasvainten havaitsemisessa varhaisessa vaiheessa havaitsemalla verisuonirakenteen poikkeavuuksia.
3. Toiminnallinen kuvantaminen: – Fotoakustisella kuvantamisella voidaan arvioida kudosten hapen saantia havaitsemalla kudosten happipitoisuuden ja deoksihemoglobiinin pitoisuudet, millä on suuri merkitys sairauksien, kuten syövän ja sydän- ja verisuonitautien, toiminnallisessa seurannassa.
4. Ihonkuvaus: – Koska fotoakustinen kuvantaminen on erittäin herkkä pintakudoksille, se soveltuu ihosyövän varhaiseen havaitsemiseen ja ihopoikkeavuuksien analysointiin.
5. Aivojen kuvantaminen: Fotoakustisella kuvantamisella voidaan saada tietoa aivoveren virtauksesta ei-invasiivisella tavalla aivosairauksien, kuten aivohalvauksen ja epilepsian, tutkimusta varten.

Fotoakustisen kuvantamisen haasteet ja kehityssuunnat:
Valonlähdevalinta: Eri aallonpituuksien valonläpäisy on erilaista, oikean aallonpituustasapainon resoluution ja tunkeutumissyvyyden valitseminen on haaste. Signaalinkäsittely: Ultraäänisignaalien saaminen ja käsittely edellyttävät nopeita ja tarkkoja algoritmeja, ja myös kuvan rekonstruktiotekniikan kehittäminen on ratkaisevaa. Multimodaalinen kuvantaminen: Fotoakustista kuvantamista voidaan yhdistää muihin kuvantamismenetelmiin (kuten MRI, CT, ultraäänikuvaus) kattavamman biolääketieteellisen tiedon saamiseksi.

Fotoakustinen kuvantaminen on uusi ja monikäyttöinen biolääketieteen kuvantamistekniikka, jonka ominaisuudet ovat korkea kontrasti, korkea resoluutio ja ei-invasiivinen. Teknologian kehittyessä fotoakustisella kuvantamisella on laajat sovellusmahdollisuudet lääketieteellisessä diagnoosissa, biologian perustutkimuksessa, lääkekehityksessä ja muilla aloilla.