Fotoakustické zobrazování - Photoacoustic imaging

Fotoakustické zobrazování
Schematické znázornění fotoakustického zobrazování
[upravit na Wikidata ]

Fotoakustické zobrazování (optoakustické zobrazování) je biomedicínská zobrazovací metoda založená na fotoakustický efekt. Ve fotoakustickém zobrazování neionizující laser pulzy jsou dodávány do biologických tkání (když rádiová frekvence používají se pulsy, tato technologie se označuje jako termoakustické zobrazování ). Část dodané energie bude absorbována a přeměněna na teplo, což povede k přechodné termoelastické expanzi a tím k širokopásmovému připojení (tj. MHz) ultrazvukové emise. Generované ultrazvukové vlny jsou detekovány pomocí ultrazvukové měniče a poté analyzovány za účelem vytvoření obrázků. Je známo, že optická absorpce úzce souvisí s fyziologickými vlastnostmi, jako je např hemoglobin koncentrace a nasycení kyslíkem.^[1] Výsledkem je, že velikost ultrazvukové emise (tj. Fotoakustický signál), která je úměrná místní depozici energie, odhaluje fyziologicky specifický kontrast optické absorpce. Poté lze vytvořit 2D nebo 3D obrazy cílených oblastí.^[2]

Biomedicínské zobrazování

Obr. 2. Absorpční spektra oxy- a deoxy-hemoglobinu.

Optická absorpce v biologických tkáních může být způsobena endogenní molekuly jako hemoglobin nebo melanin nebo exogenně dodávané kontrastní látky. Jako příklad ukazuje obr. 2 optická absorpční spektra okysličený hemoglobin (HbO₂) a deoxygenovaný hemoglobin (Hb) ve viditelné a blízké infračervené oblasti.^[3] Protože krev má obvykle řádově vyšší absorpci než okolní tkáně, existuje dostatečný endogenní kontrast pro fotoakustické zobrazování k vizualizaci krevních cév. Nedávné studie ukázaly, že lze použít fotoakustické zobrazování in vivo na nádor angiogeneze monitorování, okysličení krve mapování, funkční zobrazování mozku, kůže melanom detekce, methemoglobin měření atd.^[2]

Dva typy fotoakustických zobrazovacích systémů, fotoakustická / termoakustická počítačová tomografie (známé také jako fotoakustická / termoakustická tomografie, tj. PAT / TAT) a fotoakustická mikroskopie (PAM), byly vyvinuty. Typický systém PAT používá k získání fotoakustických signálů nezaostřený ultrazvukový detektor a obraz je rekonstruován inverzním řešením fotoakustických rovnic. Systém PAM na druhé straně používá sféricky zaměřený ultrazvukový detektor s 2D skenováním bod po bodu a nevyžaduje žádný rekonstrukční algoritmus.

Fotoakustická počítačová tomografie

Obecná rovnice

Vzhledem k funkci vytápění ${ displaystyle H ({ vec {r}}, t)}$, generování a šíření tlaku fotoakustických vln ${ displaystyle p ({ vec {r}}, t)}$ v akusticky homogenním inviscidním médiu se řídí

${ displaystyle nabla ^ {2} p ({ vec {r}}, t) - { frac {1} {v_ {s} ^ {2}}} { frac { částečné ^ {2}} { částečný {t ^ {2}}}} p ({ vec {r}}, t) = - { frac { beta} {C_ {p}}} { frac { částečný} { částečný t}} H ({ vec {r}}, t) qquad qquad quad quad (1),}$

kde ${ displaystyle v_ {s}}$ je rychlost zvuku na médiu, ${ displaystyle beta}$ je koeficient tepelné roztažnosti a ${ displaystyle C_ {p}}$ je měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku. Rov. (1) drží pod tepelnou izolací, aby bylo zajištěno, že vedení tepla je během excitace laserového pulzu zanedbatelné. K tepelnému omezení dochází, když je šířka laserového pulsu mnohem kratší než doba tepelné relaxace.^[4]

Dopředné řešení ekv. (1) je dáno

${ displaystyle left.p ({ vec {r}}, t) = { frac { beta} {4 pi C_ {p}}} int { frac {d { vec {r '} }} {| { vec {r}} - { vec {r '}} |}} { frac { částečné H ({ vec {r'}}, t ')} { částečné t'} } right | _ {t '= t- | { vec {r}} - { vec {r'}} | / v_ {s}} qquad quad , , , , (2) .}$

Při omezování stresu, ke kterému dochází, když je šířka laserového pulsu mnohem kratší než doba relaxace stresu,^[4] Rov. (2) lze dále odvodit jako

${ displaystyle p ({ vec {r}}, t) = { frac {1} {4 pi v_ {s} ^ {2}}} { frac { částečné} { částečné t}} left [{ frac {1} {v_ {s} t}} int d { vec {r '}} p_ {0} ({ vec {r'}}) delta left (t - { frac {| { vec {r}} - { vec {r '}} |} {v_ {s}}} doprava) doprava] qquad , (3),}$

kde ${ displaystyle p_ {0}}$ je počáteční fotoakustický tlak.

Algoritmus univerzální rekonstrukce

V systému PAT je akustický tlak je detekován skenováním ultrazvukového měniče přes povrch, který obklopuje fotoakustický zdroj. K rekonstrukci vnitřní distribuce zdroje musíme vyřešit inverzní problém rovnice (3) (tj. Získat ${ displaystyle p_ {0}}$). Reprezentativní metoda použitá pro rekonstrukci PAT je známá jako univerzální algoritmus zpětné projekce.^[5] Tato metoda je vhodná pro tři zobrazovací geometrie: rovinné, sférické a válcové povrchy.

Univerzální vzorec pro zadní projekci je

${ displaystyle left.p_ {0} ({ vec {r}}) = int _ { Omega _ {0}} { frac {d Omega _ {0}} { Omega _ {0} }} left [2p ({ vec {r_ {0}}}, v_ {s} t) -2v_ {s} t { frac { částečné p ({ vec {r_ {0}}}, v_ {s} t)} { částečné (v_ {s} t)}} doprava] doprava | _ {t = | { vec {r}} - { vec {r_ {0}}} | / v_ {s}}, qquad quad (4),}$

kde ${ displaystyle Omega _ {0}}$ je plný úhel, který svírá celá plocha ${ displaystyle S_ {0}}$ s ohledem na bod rekonstrukce ${ displaystyle { vec {r}}}$ uvnitř ${ displaystyle S_ {0}}$, a

${ displaystyle d Omega _ {0} = { frac {dS_ {0}} {| { vec {r}} - { vec {r_ {0}}} | ^ {2}}} { frac {{ hat {n}} _ {0} ^ {s}. ({ vec {r}} - { vec {r_ {0}}})}} | | { vec {r}} - { vec {r_ {0}}} |}}.}$

Jednoduchý systém

Jednoduchý systém PAT / TAT / OAT je uveden v levé části obr. 3.^{[kde? ]} Laserový paprsek se rozpíná a rozptyluje, aby pokryl celou oblast zájmu. Fotoakustické vlny jsou generovány úměrně k distribuci optické absorpce v cíli a jsou detekovány jediným snímaným ultrazvukovým převodníkem. Systém TAT / OAT je stejný jako systém PAT, kromě toho, že místo laseru používá zdroj mikrovlnné excitace. Ačkoli v těchto dvou systémech byly použity jednoprvkové snímače, lze detekční schéma rozšířit i na použití ultrazvukových polí.

Biomedicínské aplikace

Skutečný optický nebo mikrovlnný absorpční kontrast a difrakčně omezené vysoké prostorové rozlišení ultrazvuku činí z PAT a TAT slibné zobrazovací modality pro široké biomedicínské aplikace:

Detekce mozkových lézí

Měkké tkáně s různými optickými absorpčními vlastnostmi v mozku lze jasně identifikovat pomocí PAT.^[6]

Monitorování hemodynamiky

Od HbO₂ a Hb jsou dominantní absorbující sloučeniny v biologických tkáních ve viditelném spektrálním rozsahu, k odhalení relativní koncentrace těchto dvou lze použít fotoakustická měření s více vlnovými délkami chromofory.^[6][7] Relativní celková koncentrace hemoglobinu (HbT) a hemoglobinu nasycení kyslíkem (tak₂) lze odvodit. Proto lze pomocí PAT úspěšně detekovat hemodynamické změny mozku spojené s funkcí mozku.

Diagnóza rakoviny prsu

Využitím nízko rozptýlené mikrovlnné trouby pro excitaci je TAT schopen proniknout do tlustých (několik cm) biologických tkání s prostorovým rozlišením menším než mm.^[8] Protože rakovinná tkáň a normální tkáň mají přibližně stejné reakce na vysokofrekvenční záření, má TAT omezený potenciál v časné diagnostice rakoviny prsu.

Fotoakustická mikroskopie

Hloubka zobrazení fotoakustické mikroskopie je hlavně omezena ultrazvukovým útlumem. Prostorová (tj. Axiální a boční) rozlišení závisí na použitém ultrazvukovém měniči. K dosažení vysokého axiálního rozlišení je vybrán ultrazvukový měnič s vysokou střední frekvencí a širší šířkou pásma. Boční rozlišení je určeno ohniskovým průměrem snímače. Například 50 MHz ultrazvukový snímač poskytuje 15 mikrometrů axiální a 45 mikrometry boční rozlišení s ~ 3 mm hloubkou zobrazení.

Fotoakustická mikroskopie má ve funkčním zobrazování několik důležitých aplikací: dokáže detekovat změny okysličeného / deoxygenovaného hemoglobinu v malých cévách.^[9][10]

Další aplikace

Fotoakustické zobrazování bylo nedávno představeno v kontextu umělecká díla diagnostika s důrazem na odkrytí skrytých prvků, jako jsou podkresby nebo původní čáry náčrtu v obrazy. Fotoakustické obrazy shromážděné z miniatury olejové malby na plátno, osvětlené pulzním laserem na jejich zadní straně, jasně odhalily přítomnost čar náčrtu tužky pokrytých několika vrstvami barvy.^[11]

Pokroky ve fotoakustickém zobrazování

Fotoakustické zobrazování zaznamenalo nedávný pokrok díky integraci principů hlubokého učení a komprimovaného snímání. Další informace o aplikacích hlubokého učení ve fotoakustickém zobrazování viz Hluboké učení ve fotoakustickém zobrazování.

Viz také

• Multispektrální optoakustická tomografie
• Fotoakustická mikroskopie
• Hluboké učení ve fotoakustickém zobrazování
• Fotoakustický efekt

Reference

externí odkazy

• Nedávný pokrok v aplikaci akustických, akusticko-optických a fotoakustických metod v biologii a medicíně