Αρχές φωτοακουστικής απεικόνισης

Αρχές φωτοακουστικής απεικόνισης

Η Photoacoustic Imaging (PAI) είναι μια ιατρική τεχνική απεικόνισης που συνδυάζεταιοπτικήκαι ακουστική για τη δημιουργία υπερηχητικών σημάτων χρησιμοποιώντας την αλληλεπίδραση τωνφωςμε ιστό για λήψη εικόνων ιστού υψηλής ανάλυσης. Χρησιμοποιείται ευρέως σε βιοϊατρικούς τομείς, ειδικά στην ανίχνευση όγκων, στην αγγειακή απεικόνιση, στην απεικόνιση του δέρματος και σε άλλους τομείς.

Αρχή:
1. Απορρόφηση φωτός και θερμική διαστολή: – Η φωτοακουστική απεικόνιση χρησιμοποιεί το θερμικό αποτέλεσμα που παράγεται από την απορρόφηση φωτός. Τα μόρια της χρωστικής στον ιστό (π.χ. αιμοσφαιρίνη, μελανίνη) απορροφούν φωτόνια (συνήθως κοντά στο υπέρυθρο φως), τα οποία μετατρέπονται σε θερμική ενέργεια, προκαλώντας αύξηση της τοπικής θερμοκρασίας.
2. Η θερμική διαστολή προκαλεί υπερήχους: – Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μικροσκοπική θερμική διαστολή του ιστού, η οποία παράγει κύματα πίεσης (δηλ. υπερήχους).
3. Ανίχνευση υπερήχων: – Τα δημιουργούμενα υπερηχητικά κύματα διαδίδονται μέσα στον ιστό και στη συνέχεια αυτά τα σήματα λαμβάνονται και καταγράφονται από αισθητήρες υπερήχων (όπως ανιχνευτές υπερήχων).
4. Ανακατασκευή εικόνας: το συλλεγμένο υπερηχητικό σήμα υπολογίζεται και υποβάλλεται σε επεξεργασία για την αναδόμηση της δομής και της εικόνας λειτουργίας του ιστού, η οποία μπορεί να παρέχει τα χαρακτηριστικά οπτικής απορρόφησης του ιστού. Πλεονεκτήματα της φωτοακουστικής απεικόνισης: Υψηλή αντίθεση: Η φωτοακουστική απεικόνιση βασίζεται στα χαρακτηριστικά απορρόφησης φωτός των ιστών και διαφορετικοί ιστοί (όπως αίμα, λίπος, μύες, κ.λπ.) έχουν διαφορετικές ικανότητες να απορροφούν φως, ώστε να παρέχει εικόνες υψηλής αντίθεσης. Υψηλή ανάλυση: Χρησιμοποιώντας την υψηλή χωρική ανάλυση του υπερήχου, η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να επιτύχει ακρίβεια απεικόνισης χιλιοστών ή ακόμη και κάτω του χιλιοστού. Μη επεμβατική: Η φωτοακουστική απεικόνιση είναι μη επεμβατική, το φως και ο ήχος δεν θα προκαλέσουν βλάβη στους ιστούς, πολύ κατάλληλη για ιατρική διάγνωση στον άνθρωπο. Δυνατότητα απεικόνισης βάθους: Σε σύγκριση με την παραδοσιακή οπτική απεικόνιση, η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να διεισδύσει αρκετά εκατοστά κάτω από το δέρμα, η οποία είναι κατάλληλη για εν τω βάθει απεικόνιση ιστού.

Εφαρμογή:
1. Αγγειακή απεικόνιση: – Η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να ανιχνεύσει τις ιδιότητες απορρόφησης φωτός της αιμοσφαιρίνης στο αίμα, ώστε να μπορεί να εμφανίσει με ακρίβεια τη δομή και την κατάσταση οξυγόνωσης των αιμοφόρων αγγείων για την παρακολούθηση της μικροκυκλοφορίας και την κρίση των ασθενειών.
2. Ανίχνευση όγκου: – Η αγγειογένεση στους ιστούς του όγκου είναι συνήθως εξαιρετικά άφθονη και η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να βοηθήσει στην έγκαιρη ανίχνευση όγκων ανιχνεύοντας ανωμαλίες στην αγγειακή δομή.
3. Λειτουργική απεικόνιση: – Η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να αξιολογήσει την παροχή οξυγόνου στους ιστούς ανιχνεύοντας τη συγκέντρωση οξυγόνωσης και δεοξυαιμοσφαιρίνης στους ιστούς, η οποία είναι μεγάλης σημασίας για τη λειτουργική παρακολούθηση ασθενειών όπως ο καρκίνος και οι καρδιαγγειακές παθήσεις.
4. Απεικόνιση δέρματος: – Επειδή η φωτοακουστική απεικόνιση είναι πολύ ευαίσθητη στον επιφανειακό ιστό, είναι κατάλληλη για έγκαιρη ανίχνευση καρκίνου του δέρματος και ανάλυση δερματικών ανωμαλιών.
5. Απεικόνιση εγκεφάλου: Η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να λάβει πληροφορίες για την εγκεφαλική ροή αίματος με μη επεμβατικό τρόπο για τη μελέτη εγκεφαλικών ασθενειών όπως το εγκεφαλικό επεισόδιο και η επιληψία.

Προκλήσεις και κατευθύνσεις ανάπτυξης της φωτοακουστικής απεικόνισης:
Πηγή φωτόςεπιλογή: Η διείσδυση φωτός διαφορετικών μηκών κύματος είναι διαφορετική, πώς να επιλέξετε τη σωστή ανάλυση ισορροπίας μήκους κύματος και το βάθος διείσδυσης είναι μια πρόκληση. Επεξεργασία σήματος: Η απόκτηση και η επεξεργασία σημάτων υπερήχων απαιτεί αλγόριθμους υψηλής ταχύτητας και ακρίβειας και η ανάπτυξη τεχνολογίας ανακατασκευής εικόνας είναι επίσης ζωτικής σημασίας. Πολυτροπική απεικόνιση: Η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να συνδυαστεί με άλλες μεθόδους απεικόνισης (όπως μαγνητική τομογραφία, αξονική τομογραφία, απεικόνιση υπερήχων) για να παρέχει πιο ολοκληρωμένες βιοϊατρικές πληροφορίες.

Η φωτοακουστική απεικόνιση είναι μια νέα και πολυλειτουργική τεχνολογία βιοϊατρικής απεικόνισης, η οποία έχει τα χαρακτηριστικά της υψηλής αντίθεσης, της υψηλής ανάλυσης και της μη επεμβατικής. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, η φωτοακουστική απεικόνιση έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην ιατρική διάγνωση, τη βασική έρευνα βιολογίας, την ανάπτυξη φαρμάκων και άλλους τομείς.