Princípy fotoakustického zobrazovania

Princípy fotoakustického zobrazovania

Photoacoustic Imaging (PAI) je medicínska zobrazovacia technika, ktorá kombinujeoptikaa akustika na generovanie ultrazvukových signálov pomocou interakciesvetlos tkanivom na získanie snímok tkaniva s vysokým rozlíšením. Je široko používaný v biomedicínskych oblastiach, najmä pri detekcii nádorov, vaskulárnom zobrazovaní, zobrazovaní kože a iných 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 zvýšenie miestnej teploty.
2. Tepelná expanzia spôsobuje ultrazvuk: – Nárast teploty vedie k nepatrnej tepelnej expanzii tkaniva, ktorá vytvára tlakové vlny (napr. 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: zhromaždený ultrazvukový signál sa vypočíta a spracuje, aby sa obnovila štruktúra a funkčný obraz tkaniva, ktorý môže poskytnúť optické absorpčné charakteristiky tkaniva. Výhody fotoakustického zobrazovania: Vysoký kontrast: Fotoakustické zobrazovanie sa spolieha na charakteristiky absorpcie svetla tkanivami a rôzne tkanivá (ako krv, tuk, svaly atď.) majú rôzne schopnosti absorbovať svetlo, takže môžu poskytovať vysoko kontrastné obrazy. Vysoké rozlíšenie: Pomocou vysokého priestorového rozlíšenia ultrazvuku môže fotoakustické zobrazovanie dosiahnuť milimetrovú alebo dokonca submilimetrovú presnosť zobrazenia. Neinvazívne: Fotoakustické zobrazovanie je neinvazívne, svetlo a zvuk nespôsobia poškodenie tkaniva, veľmi vhodné pre humánnu lekársku diagnostiku. 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. Cievne zobrazovanie: – Fotoakustické zobrazovanie dokáže zistiť vlastnosti hemoglobínu v krvi pohlcujúce svetlo, takže dokáže presne zobraziť štruktúru a stav okysličovania krvných ciev na monitorovanie mikrocirkulácie a posudzovanie chorôb.
2. Detekcia nádoru: – Angiogenéza v nádorových tkanivách je zvyčajne mimoriadne bohatá a fotoakustické zobrazovanie môže pomôcť včasnej detekcii nádorov detekciou abnormalít v štruktúre ciev.
3. Funkčné zobrazovanie: – Fotoakustické zobrazovanie dokáže posúdiť zásobenie tkanív kyslíkom detekciou koncentrácie okysličovania a deoxyhemoglobínu v tkanivách, čo má veľký význam pre funkčné monitorovanie chorôb, akými sú rakovina a kardiovaskulárne choroby.
4. Zobrazovanie kože: – Pretože fotoakustické zobrazovanie je veľmi citlivé na povrchové tkanivo, je vhodné na včasnú detekciu rakoviny kože a analýzu kožných abnormalít.
5. Zobrazovanie mozgu: Fotoakustické zobrazovanie môže získať informácie o cerebrálnom prietoku krvi neinvazívnym spôsobom na štúdium chorôb mozgu, ako je mŕtvica a epilepsia.

Výzvy a smery vývoja fotoakustického zobrazovania:
Svetelný zdrojvýber: Prienik svetla rôznych vlnových dĺžok je odlišný, ako zvoliť správne rozlíšenie vyváženia vlnovej dĺžky a hĺbku prieniku je výzvou. Spracovanie signálu: Získavanie a spracovanie ultrazvukových signálov si vyžaduje vysokorýchlostné a presné algoritmy a rozhodujúci je aj vývoj technológie rekonštrukcie obrazu. Multimodálne zobrazovanie: Fotoakustické zobrazovanie možno kombinovať s inými zobrazovacími modalitami (ako je MRI, CT, ultrazvukové zobrazovanie), aby sa poskytli komplexnejšie biomedicínske informácie.

Fotoakustické zobrazovanie je nová a multifunkčná biomedicínska zobrazovacia technológia, ktorá má vlastnosti vysokého kontrastu, vysokého rozlíšenia a je neinvazívna. S rozvojom technológie má fotoakustické zobrazovanie široké uplatnenie v lekárskej diagnostike, základnom výskume biológie, vývoji liekov a ďalších oblastiach.