Prinsipper for fotoakustisk avbildning

Prinsipper for fotoakustisk avbildning

Fotoakustisk avbildning (PAI) er en medisinsk avbildningsteknikk som kombinereroptikkog akustikk for å generere ultralydsignaler ved hjelp av samspillet mellomlysmed vev for å få vevsbilder med høy oppløsning. Det er mye brukt innen biomedisinske felt, spesielt innen tumordeteksjon, vaskulær avbildning, hudavbildning og andre felt.

Prinsipp:
1. Lysabsorpsjon og termisk ekspansjon: – Fotoakustisk avbildning 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 fører til at lokale temperaturer stiger.
2. Termisk ekspansjon forårsaker ultralyd: – Temperaturøkning fører til liten termisk ekspansjon av vevet, noe 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 vevets struktur og funksjon, noe som kan gi vevets optiske absorpsjonsegenskaper. Fordeler med fotoakustisk avbildning: Høy kontrast: Fotoakustisk avbildning er avhengig av vevets lysabsorpsjonsegenskaper, og forskjellige vev (som blod, fett, muskler osv.) har ulik evne til å absorbere lys, slik at det kan gi bilder med høy kontrast. Høy oppløsning: Ved å bruke ultralydens høye romlige oppløsning kan fotoakustisk avbildning oppnå millimeter- eller til og med submillimeter-avbildningsnøyaktighet. Ikke-invasiv: Fotoakustisk avbildning er ikke-invasiv, lys og lyd vil ikke forårsake vevsskade, veldig egnet for medisinsk diagnose hos mennesker. Dybdeavbildningsevne: Sammenlignet med tradisjonell optisk avbildning kan fotoakustisk avbildning trenge 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 bidra til tidlig deteksjon av tumorer ved å oppdage abnormiteter i vaskulær struktur.
3. Funksjonell avbildning: – Fotoakustisk avbildning kan vurdere oksygenforsyningen til vev ved å oppdage konsentrasjonen av oksygenering og deoksyhemoglobin i vev, noe som er av 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 oppdagelse av hudkreft og analyse av hudavvik.
5. Hjerneavbildning: Fotoakustisk avbildning kan innhente informasjon om cerebral blodstrøm på en ikke-invasiv måte for studier av hjernesykdommer som hjerneslag og epilepsi.

Utfordringer og utviklingsretninger for fotoakustisk avbildning:
Lyskildeutvalg: Lyspenetrasjon av forskjellige bølgelengder er forskjellig, hvordan man velger riktig bølgelengdebalanse, oppløsning og penetrasjonsdybde er en utfordring. Signalbehandling: Innsamling og behandling av ultralydsignaler krever høyhastighets og nøyaktige algoritmer, og utvikling 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 avbildning er en ny og multifunksjonell biomedisinsk avbildningsteknologi som har egenskapene høy kontrast, høy oppløsning og ikke-invasiv funksjon. Med utviklingen av teknologi har fotoakustisk avbildning brede anvendelsesmuligheter innen medisinsk diagnose, grunnleggende biologisk forskning, legemiddelutvikling og andre felt.