Принципи на фотоакустичните изображения

Принципи на фотоакустичните изображения

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

Принцип:
1. Поглъщане на светлина и топлинно разширение: – Фотоакустичните изображения използват топлинния ефект, произведен от поглъщането на светлина. Молекулите на пигмента в тъканта (напр. хемоглобин, меланин) абсорбират фотони (обикновено близка инфрачервена светлина), които се превръщат в топлинна енергия, което води до повишаване на местните температури.
2. Термичното разширение причинява ултразвук: – Повишаването на температурата води до малко топлинно 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 структурата и функционалното изображение на тъканта, което може да осигури характеристиките на оптичната абсорбция на тъканта. Предимства на фотоакустичните изображения: Висок контраст: Фотоакустичните изображения разчитат на характеристиките на поглъщане на светлината на тъканите, а различните тъкани (като кръв, мазнини, мускули и т.н.) имат различни способности да абсорбират светлина, така че могат да предоставят изображения с висок контраст. Висока разделителна способност: Използвайки високата пространствена разделителна способност на ултразвука, фотоакустичните изображения могат да постигнат милиметрова или дори субмилиметрова точност на изображението. Неинвазивно: Фотоакустичните изображения са неинвазивни, светлината и звукът няма да причинят увреждане на тъканите, много подходящи за медицинска диагностика при хора. Възможност за дълбочинно изображение: В сравнение с традиционното оптично изображение, фотоакустичното изображение може да проникне на няколко сантиметра под кожата, което е подходящо за дълбоко тъканно изображение.

Приложение:
1. Съдово изобразяване: – Фотоакустичното изобразяване може да открие абсорбиращите светлина свойства на хемоглобина в кръвта, така че може точно да покаже структурата и състоянието на оксигенация на кръвоносните съдове за наблюдение на микроциркулацията и преценка на заболявания.
2. Откриване на тумор: – Ангиогенезата в туморните тъкани обикновено е изключително изобилна и фотоакустичните изображения могат да помогнат за ранното откриване на тумори чрез откриване на аномалии в съдовата структура.
3. Функционално изобразяване: – Фотоакустичното изобразяване може да оцени снабдяването на тъканите с кислород 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. Изобразяване на кожата: – Тъй като фотоакустичните изображения са много чувствителни към повърхностните тъкани, те са подходящи за ранно откриване на рак на кожата и анализ на кожни аномалии.
5. Изобразяване на мозъка: Фотоакустичните изображения могат да получат информация за церебралния кръвен поток по неинвазивен начин за изследване на мозъчни заболявания като инсулт и епилепсия.

Предизвикателства и насоки за развитие на фотоакустичните изображения:
Източник на светлинаизбор: Проникването на светлина с различни дължини на вълната е различно, как да изберем правилната разделителна способност на баланса на дължината на вълната и дълбочината на проникване е предизвикателство. Обработка на сигнали: Получаването и обработката на ултразвукови сигнали изискват високоскоростни и точни алгоритми, а развитието на технологията за реконструкция на изображения също е от решаващо значение. Мултимодално изобразяване: Фотоакустичното изобразяване може да се комбинира с други образни методи (като MRI, CT, ултразвуково изобразяване), за да се предостави по-изчерпателна биомедицинска информация.

Фотоакустичните изображения са нова и многофункционална биомедицинска технология за изображения, която има характеристиките на висок контраст, висока разделителна способност и неинвазивност. С развитието на технологиите фотоакустичните изображения имат широки перспективи за приложение в медицинската диагностика, основните биологични изследвания, разработването на лекарства и други области.