Αρχές φωτοακουστικής απεικόνισης

Αρχές φωτοακουστικής απεικόνισης

Η φωτοακουστική απεικόνιση (PAI) είναι μια τεχνική ιατρικής απεικόνισης που συνδυάζειοπτικήκαι ακουστική για την παραγωγή υπερηχητικών σημάτων χρησιμοποιώντας την αλληλεπίδρασηφωςμε ιστό για τη λήψη εικόνων ιστών υψηλής ανάλυσης. Χρησιμοποιείται ευρέως σε βιοϊατρικούς τομείς, ειδικά στην ανίχνευση όγκων, στην αγγειακή απεικόνιση, στην απεικόνιση δέρματος και σε άλλους τομείς.

Αρχή:
1. Απορρόφηση φωτός και θερμική διαστολή: – Η φωτοακουστική απεικόνιση χρησιμοποιεί το θερμικό φαινόμενο που παράγεται από την απορρόφηση φωτός. Τα μόρια χρωστικής στον ιστό (π.χ. αιμοσφαιρίνη, μελανίνη) απορροφούν φωτόνια (συνήθως φως εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας), τα οποία μετατρέπονται σε θερμική ενέργεια, προκαλώντας αύξηση των τοπικών θερμοκρασιών.
2. Η θερμική διαστολή προκαλεί υπερήχους: – Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μικροσκοπική θερμική διαστολή του ιστού, η οποία παράγει κύματα πίεσης (δηλαδή υπερήχους).
3. Ανίχνευση με υπερήχους: – Τα παραγόμενα υπερηχητικά κύματα διαδίδονται εντός του ιστού και αυτά τα σήματα στη συνέχεια λαμβάνονται και καταγράφονται από υπερηχητικούς αισθητήρες (όπως υπερηχητικούς ανιχνευτές).
4. Ανακατασκευή εικόνας: το συλλεγόμενο υπερηχητικό σήμα υπολογίζεται και υποβάλλεται σε επεξεργασία για την ανακατασκευή της εικόνας δομής και 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 το αίμα, το λίπος, οι μύες κ.λπ.) έχουν διαφορετικές ικανότητες απορρόφησης φωτός, επομένως μπορούν να παρέχουν εικόνες υψηλής αντίθεσης. Υψηλή ανάλυση: Χρησιμοποιώντας την υψηλή χωρική ανάλυση των υπερήχων, η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να επιτύχει ακρίβεια απεικόνισης χιλιοστού ή ακόμα και υποχιλιοστού. Μη επεμβατική: Η φωτοακουστική απεικόνιση είναι μη επεμβατική, το φως και ο ήχος δεν προκαλούν 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, κάτι που είναι κατάλληλο για απεικόνιση ιστών σε βάθος.

Εφαρμογή:
1. Αγγειακή απεικόνιση: – Η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να ανιχνεύσει τις ιδιότητες απορρόφησης φωτός της αιμοσφαιρίνης στο αίμα, έτσι ώστε να μπορεί να απεικονίσει με ακρίβεια τη δομή και την κατάσταση οξυγόνωσης των αιμοφόρων αγγείων για την παρακολούθηση της μικροκυκλοφορίας και την αξιολόγηση ασθενειών.
2. Ανίχνευση όγκων: – Η αγγειογένεση στους καρκινικούς ιστούς είναι συνήθως εξαιρετικά άφθονη και η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να βοηθήσει στην έγκαιρη ανίχνευση όγκων ανιχνεύοντας ανωμαλίες στη δομή των αγγείων.
3. Λειτουργική απεικόνιση: – Η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να αξιολογήσει την παροχή οξυγόνου στους ιστούς ανιχνεύοντας τη συγκέντρωση οξυγόνωσης και δεοξυαιμοσφαιρίνης στους ιστούς, η οποία έχει μεγάλη σημασία για τη λειτουργική παρακολούθηση ασθενειών όπως ο καρκίνος και οι καρδιαγγειακές παθήσεις.
4. Απεικόνιση δέρματος: – Επειδή η φωτοακουστική απεικόνιση είναι πολύ ευαίσθητη στους επιφανειακούς ιστούς, είναι κατάλληλη για την έγκαιρη ανίχνευση καρκίνου του δέρματος και την 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 παθήσεων όπως το εγκεφαλικό επεισόδιο και η επιληψία.

Προκλήσεις και κατευθύνσεις ανάπτυξης της φωτοακουστικής απεικόνισης:
Πηγή φωτόςΕπιλογή: Η διείσδυση του φωτός σε διαφορετικά μήκη κύματος είναι διαφορετική, ο τρόπος επιλογής της σωστής ισορροπίας μήκους κύματος, της ανάλυσης και του βάθους διείσδυσης αποτελεί πρόκληση. Επεξεργασία σήματος: Η λήψη και η επεξεργασία υπερηχητικών σημάτων απαιτούν αλγόριθμους υψηλής ταχύτητας και ακριβείας, και η ανάπτυξη τεχνολογίας ανακατασκευής εικόνας είναι επίσης ζωτικής σημασίας. Πολυτροπική απεικόνιση: Η φωτοακουστική απεικόνιση μπορεί να συνδυαστεί με άλλες απεικονιστικές μεθόδους (όπως μαγνητική τομογραφία, αξονική τομογραφία, απεικόνιση με υπερήχους) για την παροχή πιο ολοκληρωμένων βιοϊατρικών πληροφοριών.

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