Princípy fotoakustického zobrazovania

Princípy fotoakustického zobrazovania

Fotoakustické zobrazovanie (PAI) je medicínska zobrazovacia technika, ktorá kombinujeoptikaa akustiky na generovanie ultrazvukových signálov pomocou interakciesvetlos tkanivom na získanie snímok tkaniva s vysokým rozlíšením. Široko sa používa v biomedicínskych oblastiach, najmä pri detekcii nádorov, cievnom zobrazovaní, zobrazovaní kože a ďalších oblastiach.

Princíp:
1. Absorpcia svetla a tepelná rozťažnosť: – Fotoakustické zobrazovanie využíva tepelný efekt spôsobený absorpciou svetla. Molekuly pigmentu v tkanive (napr. hemoglobín, melanín) absorbujú fotóny (zvyčajne blízke infračervené svetlo), ktoré sa premieňajú na tepelnú energiu, čo spôsobuje lokálne zvyšovanie teploty.
2. Tepelná rozťažnosť spôsobuje ultrazvuk: – Zvýšenie teploty vedie k malej tepelnej rozťažnosti tkaniva, ktorá vytvára tlakové vlny (t. j. ultrazvuk).
3. Ultrazvuková detekcia: – Generované ultrazvukové vlny sa šíria v tkanive a tieto signály sú následne prijímané a zaznamenávané ultrazvukovými senzormi (ako sú ultrazvukové sondy).
4. Rekonštrukcia obrazu: zozbieraný ultrazvukový signál sa vypočíta a spracuje na obnovu obrazu štruktúry a funkcie tkaniva, ktorý môže poskytnúť charakteristiky optickej absorpcie tkaniva. Výhody fotoakustického zobrazovania: Vysoký kontrast: Fotoakustické zobrazovanie sa spolieha na charakteristiky absorpcie svetla tkanivami a rôzne tkanivá (ako je krv, tuk, svaly atď.) majú rôznu schopnosť absorbovať svetlo, takže môže poskytnúť obrazy s vysokým kontrastom. Vysoké rozlíšenie: Vďaka vysokému priestorovému rozlíšeniu ultrazvuku môže fotoakustické zobrazovanie dosiahnuť milimetrovú alebo dokonca submilimetrovú presnosť zobrazovania. Neinvazívne: Fotoakustické zobrazovanie je neinvazívne, svetlo a zvuk nespôsobujú poškodenie tkaniva, veľmi vhodné na diagnostiku v medicíne u ľudí. Schopnosť hĺbkového zobrazovania: V porovnaní s tradičným optickým zobrazovaním môže fotoakustické zobrazovanie preniknúť niekoľko centimetrov pod kožu, čo je vhodné na zobrazovanie hlbokých tkanív.

Aplikácia:
1. Zobrazovanie ciev: – Fotoakustické zobrazovanie dokáže detegovať vlastnosti hemoglobínu v krvi absorbovať svetlo, takže dokáže presne zobraziť štruktúru a stav okysličenia krvných ciev na monitorovanie mikrocirkulácie a posudzovanie ochorení.
2. Detekcia nádoru: – Angiogenéza v nádorových tkanivách je zvyčajne mimoriadne hojná a fotoakustické zobrazovanie môže pomôcť pri včasnej detekcii nádorov detekciou abnormalít v cievnej štruktúre.
3. Funkčné zobrazovanie: – Fotoakustické zobrazovanie dokáže posúdiť zásobovanie tkanív kyslíkom detekciou koncentrácie okysličenia a deoxyhemoglobínu v tkanivách, čo má veľký význam pre funkčné monitorovanie ochorení, ako je rakovina a kardiovaskulárne ochorenia.
4. Zobrazovanie kože: – Keďže fotoakustické zobrazovanie je veľmi citlivé na povrchové tkanivo, je vhodné na včasnú detekciu rakoviny kože a analýzu kožných abnormalít.
5. Zobrazovanie mozgu: Fotoakustické zobrazovanie dokáže získať informácie o prietoku krvi mozgom neinvazívnym spôsobom na štúdium ochorení mozgu, ako je mozgová príhoda a epilepsia.

Výzvy a smery vývoja fotoakustického zobrazovania:
Zdroj svetlavýber: Prenikanie svetla rôznych vlnových dĺžok je odlišné, preto je náročné zvoliť správne vyváženie vlnových dĺžok, rozlíšenie a hĺbku prenikania. Spracovanie signálu: Získavanie a spracovanie ultrazvukových signálov vyžaduje vysokorýchlostné a presné algoritmy a kľúčový je aj vývoj technológie rekonštrukcie obrazu. Multimodálne zobrazovanie: Fotoakustické zobrazovanie je možné kombinovať s inými zobrazovacími modalitami (ako je MRI, CT, ultrazvukové zobrazovanie) s cieľom poskytnúť komplexnejšie biomedicínske informácie.

Fotoakustické zobrazovanie je nová a multifunkčná biomedicínska zobrazovacia technológia, ktorá sa vyznačuje vysokým kontrastom, vysokým rozlíšením a neinvazívnosťou. S rozvojom technológie má fotoakustické zobrazovanie široké uplatnenie v lekárskej diagnostike, základnom biologickom výskume, vývoji liekov a ďalších oblastiach.