Fotoakustisen kuvantamisen periaatteet

Fotoakustisen kuvantamisen periaatteet

Fotoakustinen kuvantaminen (PAI) on lääketieteellinen kuvantamistekniikka, joka yhdistääoptiikkaja akustiikkaa ultraäänisignaalien tuottamiseksi käyttämällä vuorovaikutustavalokudoksen kanssa korkean resoluution 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 hyödynnetään valon absorption tuottamaa lämpövaikutusta. Kudoksen pigmenttimolekyylit (esim. hemoglobiini, melaniini) absorboivat fotoneja (yleensä lähi-infrapunavaloa), jotka muuttuvat lämpöenergiaksi, mikä aiheuttaa paikallisia lämpötiloja.
2. Lämpölaajeneminen aiheuttaa ultraääntä: – Lämpötilan nousu johtaa kudoksen pieneen lämpölaajenemiseen, mikä tuottaa paineaaltoja (eli ultraääntä).
3. Ultraäänitunnistus: – Syntyneet ultraääniaallot etenevät kudoksessa, ja ultraäänianturit (kuten ultraääniluotaimet) vastaanottavat ja tallentavat nämä signaalit.
4. Kuvan rekonstruktio: Kerätty ultraäänisignaali lasketaan ja käsitellään kudoksen rakenne- ja toimintakuvan rekonstruoimiseksi, mikä voi tarjota kudoksen optiset absorptio-ominaisuudet. Fotoakustisen kuvantamisen edut: Korkea kontrasti: Fotoakustinen kuvantaminen perustuu kudosten valonabsorptio-ominaisuuksiin, ja eri kudoksilla (kuten verellä, rasvalla, lihaksilla jne.) on erilaiset kyvyt absorboida valoa, joten se voi tarjota korkean kontrastin kuvia. Korkea resoluutio: Ultraäänen korkean spatiaalisen resoluution ansiosta fotoakustisella kuvantamisella voidaan saavuttaa millimetrin tai jopa alle millimetrin kuvantamistarkkuus. Ei-invasiivinen: Fotoakustinen kuvantaminen on ei-invasiivista, valo ja ääni eivät aiheuta kudosvaurioita, joten se soveltuu erittäin hyvin ihmisten lääketieteelliseen diagnostiikkaan. Syvyyskuvantamisen kyky: Perinteiseen optiseen kuvantamiseen verrattuna fotoakustinen kuvantaminen voi tunkeutua useita senttimetrejä ihon alle, mikä soveltuu syväkudoskuvantamiseen.

Sovellus:
1. Verisuonikuvantaminen: – 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: – Kasvainkudoksissa on yleensä erittäin runsasta angiogeneesiä, ja fotoakustinen kuvantaminen voi auttaa kasvainten varhaisessa havaitsemisessa havaitsemalla poikkeavuuksia verisuonten rakenteessa.
3. Toiminnallinen kuvantaminen: – Fotoakustisella kuvantamisella voidaan arvioida kudosten happisaantia havaitsemalla kudosten hapetuksen ja deoksihemoglobiinin pitoisuudet, millä on suuri merkitys sairauksien, kuten syövän ja sydän- ja verisuonitautien, toiminnallisessa seurannassa.
4. Ihon kuvantaminen: – Koska fotoakustinen kuvantaminen on erittäin herkkä pinnalliselle kudokselle, se soveltuu ihosyövän varhaiseen havaitsemiseen ja ihon poikkeavuuksien analysointiin.
5. Aivojen kuvantaminen: Fotoakustisella kuvantamisella voidaan saada tietoa aivojen verenkierrosta ei-invasiivisesti aivosairauksien, kuten aivohalvauksen ja epilepsian, tutkimiseksi.

Fotoakustisen kuvantamisen haasteet ja kehityssuunnat:
Valonlähdevalinta: Eri aallonpituuksilla valon läpäisykyky on erilainen, joten oikean aallonpituustasapainon, resoluution ja läpäisysyvyyden valitseminen on haaste. Signaalinkäsittely: Ultraäänisignaalien hankinta ja käsittely vaativat nopeita ja tarkkoja algoritmeja, ja myös kuvan rekonstruointiteknologian kehittäminen on ratkaisevan tärkeää. Multimodaalinen kuvantaminen: Fotoakustista kuvantamista voidaan yhdistää muihin kuvantamismenetelmiin (kuten magneettikuvaukseen, tietokonetomografiaan, ultraäänikuvaukseen) kattavamman biolääketieteellisen tiedon saamiseksi.

Fotoakustinen kuvantaminen on uusi ja monitoiminen biolääketieteellinen kuvantamistekniikka, jolla on ominaisuuksia, kuten korkea kontrasti, korkea resoluutio ja ei-invasiivinen vaikutus. Teknologian kehittyessä fotoakustisella kuvantamisella on laajat sovellusmahdollisuudet lääketieteellisessä diagnostiikassa, biologian perustutkimuksessa, lääkekehityksessä ja muilla aloilla.