Prinsipper for fotoakustisk avbildning

Prinsipper for fotoakustisk avbildning

Fotoakustisk bildebehandling (PAI) er en medisinsk bildebehandlingsteknikk som kombinereroptikkog akustikk for å generere ultralydsignaler ved å bruke interaksjonen avlysmed vev for å få høyoppløselige vevsbilder. Det er mye brukt i biomedisinske felt, spesielt innen tumordeteksjon, vaskulær avbildning, hudavbildning og andre felt.

Prinsipp:
1. Lysabsorpsjon og termisk ekspansjon: – Fotoakustisk bildebehandling bruker den termiske effekten som produseres av lysabsorpsjon. Pigmentmolekylene i vevet (f.eks. hemoglobin, melanin) absorberer fotoner (vanligvis nær-infrarødt lys), som omdannes til varmeenergi, noe som får lokale temperaturer til å stige.
2. Termisk ekspansjon forårsaker ultralyd: – Temperaturøkning fører til liten termisk ekspansjon av vevet, som produserer trykkbølger (dvs. ultralyd).
3. Ultralyddeteksjon: – De genererte ultralydbølgene forplanter seg i vevet, og disse signalene mottas og registreres deretter av ultralydsensorer (som ultralydsonder).
4. Bilderekonstruksjon: det innsamlede ultralydsignalet beregnes og behandles for å gjenoppbygge strukturen og funksjonsbildet til vevet, som kan gi vevets optiske absorpsjonsegenskaper. Fordeler med fotoakustisk avbildning: Høy kontrast: Fotoakustisk avbildning er avhengig av lysabsorpsjonsegenskapene til vev, og forskjellige vev (som blod, fett, muskler osv.) har forskjellige evner til å absorbere lys, så det kan gi bilder med høy kontrast. Høy oppløsning: Ved å bruke den høye romlige oppløsningen til ultralyd, kan fotoakustisk avbildning oppnå millimeter eller til og med sub-millimeter avbildningsnøyaktighet. Ikke-invasiv: Fotoakustisk avbildning er ikke-invasiv, lys og lyd vil ikke forårsake vevsskade, veldig egnet for human medisinsk diagnose. Dybdeavbildningsevne: Sammenlignet med tradisjonell optisk avbildning kan fotoakustisk avbildning penetrere flere centimeter under huden, noe som er egnet for dypvevsavbildning.

Søknad:
1. Vaskulær avbildning: – Fotoakustisk avbildning kan oppdage de lysabsorberende egenskapene til hemoglobin i blodet, slik at den nøyaktig kan vise strukturen og oksygeneringsstatusen til blodårene for å overvåke mikrosirkulasjonen og bedømme sykdommer.
2. Tumordeteksjon: – Angiogenese i tumorvev er vanligvis ekstremt rikelig, og fotoakustisk avbildning kan hjelpe tidlig påvisning av svulster ved å oppdage abnormiteter i vaskulær struktur.
3. Funksjonell avbildning: – Fotoakustisk avbildning kan vurdere oksygentilførselen til vev ved å påvise konsentrasjonen av oksygenering og deoksyhemoglobin i vev, noe som har stor betydning for funksjonell overvåking av sykdommer som kreft og hjerte- og karsykdommer.
4. Hudavbildning: – Fordi fotoakustisk avbildning er svært følsom for overfladisk vev, er den egnet for tidlig påvisning av hudkreft og analyse av hudavvik.
5. Hjerneavbildning: Fotoakustisk avbildning kan få informasjon om cerebral blodstrøm på en ikke-invasiv måte for studiet av hjernesykdommer som hjerneslag og epilepsi.

Utfordringer og utviklingsretninger for fotoakustisk bildebehandling:
Lyskildeutvalg: Lyspenetrering av ulike bølgelengder er forskjellig, hvordan velge riktig bølgelengdebalanseoppløsning og penetrasjonsdybde er en utfordring. Signalbehandling: Innsamling og prosessering av ultralydsignaler krever høyhastighets og nøyaktige algoritmer, og utviklingen av bilderekonstruksjonsteknologi er også avgjørende. Multimodal avbildning: Fotoakustisk avbildning kan kombineres med andre avbildningsmodaliteter (som MR, CT, ultralydavbildning) for å gi mer omfattende biomedisinsk informasjon.

Fotoakustisk bildebehandling er en ny og multifunksjonell biomedisinsk bildeteknologi, som har egenskapene til høy kontrast, høy oppløsning og ikke-invasiv. Med utviklingen av teknologi har fotoakustisk avbildning brede anvendelsesmuligheter innen medisinsk diagnose, grunnleggende biologiforskning, medikamentutvikling og andre felt.