Принципи на фотоакустичното изобразяване

Принципи на фотоакустичното изобразяване

Фотоакустичното изобразяване (PAI) е медицинска образна техника, която комбинираоптикаи акустика за генериране на ултразвукови сигнали, използвайки взаимодействието насветлинас тъкан за получаване на тъканни изображения с висока резолюция. Той се използва широко в биомедицинските области, особено при откриване на тумори, съдово изобразяване, изобразяване на кожата и други области.

Принцип:
1. Поглъщане на светлина и термично разширение: – Фотоакустичното изобразяване използва топлинния ефект, произведен от поглъщането на светлина. Пигментните молекули в тъканта (напр. хемоглобин, меланин) абсорбират фотони (обикновено близка инфрачервена светлина), които се преобразуват в топлинна енергия, причинявайки повишаване на локалните температури.
2. Термичното разширение причинява ултразвук: – Повишаването на температурата води до малко термично разширение на тъканта, което произвежда вълни на налягане (т.е. ултразвук).
3. Ултразвуково откриване: – Генерираните ултразвукови вълни се разпространяват в тъканта и тези сигнали впоследствие се приемат и записват от ултразвукови сензори (като ултразвукови сонди).
4. Реконструкция на изображението: събраният ултразвуков сигнал се изчислява и обработва, за да се възстанови образът на структурата и функцията на тъканта, което може да осигури характеристиките на оптичното поглъщане на тъканта. Предимства на фотоакустичното изобразяване: Висок контраст: Фотоакустичното изобразяване разчита на характеристиките на поглъщане на светлина от тъканите, а различните тъкани (като кръв, мазнини, мускули и др.) имат различна способност да абсорбират светлина, така че може да осигури изображения с висок контраст. Висока резолюция: Използвайки високата пространствена резолюция на ултразвука, фотоакустичното изобразяване може да постигне милиметрова или дори субмилиметрова точност на изобразяване. Неинвазивно: Фотоакустичното изобразяване е неинвазивно, светлината и звукът не причиняват увреждане на тъканите, много подходящо за медицинска диагностика при хора. Възможности за дълбочинно изобразяване: В сравнение с традиционното оптично изобразяване, фотоакустичното изобразяване може да проникне няколко сантиметра под кожата, което е подходящо за изобразяване на дълбоки тъкани.

Приложение:
1. Съдово изобразяване: – Фотоакустичното изобразяване може да открие свойствата на хемоглобина в кръвта, поглъщащи светлина, така че да може точно да покаже структурата и състоянието на оксигенация на кръвоносните съдове за наблюдение на микроциркулацията и преценка на заболявания.
2. Откриване на тумори: – Ангиогенезата в туморните тъкани обикновено е изключително обилна и фотоакустичното изобразяване може да помогне за ранното откриване на тумори чрез откриване на аномалии в съдовата структура.
3. Функционално изобразяване: – Фотоакустичното изобразяване може да оцени снабдяването с кислород на тъканите чрез откриване на концентрацията на оксигенация и дезоксихемоглобин в тъканите, което е от голямо значение за функционалното наблюдение на заболявания като рак и сърдечно-съдови заболявания.
4. Образна диагностика на кожата: – Тъй като фотоакустичното изобразяване е много чувствително към повърхностните тъкани, то е подходящо за ранно откриване на рак на кожата и анализ на кожни аномалии.
5. Образна диагностика на мозъка: Фотоакустичното изобразяване може да получи информация за мозъчния кръвен поток по неинвазивен начин за изследване на мозъчни заболявания като инсулт и епилепсия.

Предизвикателства и насоки за развитие на фотоакустичното изобразяване:
Източник на светлинаИзбор: Проникването на светлината с различни дължини на вълната е различно, как да се избере правилният баланс на дължината на вълната, разделителната способност и дълбочината на проникване е предизвикателство. Обработка на сигнали: Придобиването и обработката на ултразвукови сигнали изискват високоскоростни и точни алгоритми, а разработването на технология за реконструкция на изображения също е от решаващо значение. Мултимодално изобразяване: Фотоакустичното изобразяване може да се комбинира с други методи за изобразяване (като ЯМР, КТ, ултразвуково изобразяване), за да се предостави по-изчерпателна биомедицинска информация.

Фотоакустичното изобразяване е нова и многофункционална биомедицинска технология за изобразяване, която се характеризира с висок контраст, висока резолюция и неинвазивност. С развитието на технологиите, фотоакустичното изобразяване има широки перспективи за приложение в медицинската диагностика, фундаменталните биологични изследвания, разработването на лекарства и други области.