Principer för fotoakustisk avbildning

Principer för fotoakustisk avbildning

Fotoakustisk avbildning (PAI) är en medicinsk avbildningsteknik som kombineraroptikoch akustik för att generera ultraljudssignaler med hjälp av interaktionen mellanljusmed vävnad för att få högupplösta vävnadsbilder. Det används ofta inom biomedicinska områden, särskilt för tumördetektering, kärlavbildning, hudavbildning och andra områden.

Princip:
1. Ljusabsorption och termisk expansion: – Fotoakustisk avbildning använder den termiska effekt som produceras av ljusabsorption. Pigmentmolekylerna i vävnaden (t.ex. hemoglobin, melanin) absorberar fotoner (vanligtvis nära-infrarött ljus), vilka omvandlas till värmeenergi, vilket får den lokala temperaturen att stiga.
2. Termisk expansion orsakar ultraljud: – Temperaturökning leder till en liten termisk expansion av vävnaden, vilket producerar tryckvågor (dvs. ultraljud).
3. Ultraljudsdetektering: – De genererade ultraljudsvågorna fortplantar sig i vävnaden, och dessa signaler tas sedan emot och registreras av ultraljudssensorer (såsom ultraljudssonder).
4. Bildrekonstruktion: Den insamlade ultraljudssignalen beräknas och bearbetas för att återuppbygga vävnadens struktur och funktion, vilket kan ge vävnadens optiska absorptionsegenskaper. Fördelar med fotoakustisk avbildning: Hög kontrast: Fotoakustisk avbildning är beroende av vävnadernas ljusabsorptionsegenskaper, och olika vävnader (som blod, fett, muskler etc.) har olika förmåga att absorbera ljus, så den kan ge bilder med hög kontrast. Hög upplösning: Med hjälp av ultraljudets höga rumsliga upplösning kan fotoakustisk avbildning uppnå millimeter- eller till och med submillimeter-bildnoggrannhet. Icke-invasiv: Fotoakustisk avbildning är icke-invasiv, ljus och ljud orsakar inte vävnadsskador, mycket lämplig för medicinsk diagnos av människor. Djupbildskapacitet: Jämfört med traditionell optisk avbildning kan fotoakustisk avbildning tränga in flera centimeter under huden, vilket är lämpligt för djupvävnadsavbildning.

Ansökan:
1. Kärlavbildning: – Fotoakustisk avbildning kan detektera hemoglobins ljusabsorberande egenskaper i blodet, så att den noggrant kan visa blodkärlens struktur och syresättningsstatus för att övervaka mikrocirkulationen och bedöma sjukdomar.
2. Tumördetektion: – Angiogenes i tumörvävnader är vanligtvis extremt riklig, och fotoakustisk avbildning kan hjälpa till med tidig upptäckt av tumörer genom att upptäcka avvikelser i kärlstrukturen.
3. Funktionell avbildning: – Fotoakustisk avbildning kan bedöma vävnadernas syretillförsel genom att detektera koncentrationen av syresättning och deoxihemoglobin i vävnaderna, vilket är av stor betydelse för funktionell övervakning av sjukdomar som cancer och hjärt-kärlsjukdomar.
4. Hudavbildning: – Eftersom fotoakustisk avbildning är mycket känslig för ytlig vävnad är den lämplig för tidig upptäckt av hudcancer och analys av hudavvikelser.
5. Hjärnavbildning: Fotoakustisk avbildning kan få information om cerebralt blodflöde på ett icke-invasivt sätt för studier av hjärnsjukdomar som stroke och epilepsi.

Utmaningar och utvecklingsriktningar för fotoakustisk avbildning:
Ljuskällaurval: Ljuspenetration för olika våglängder är olika, hur man väljer rätt våglängdsbalans, upplösning och penetrationsdjup är en utmaning. Signalbehandling: Insamling och bearbetning av ultraljudssignaler kräver höghastighets- och noggranna algoritmer, och utvecklingen av bildrekonstruktionsteknik är också avgörande. Multimodal avbildning: Fotoakustisk avbildning kan kombineras med andra avbildningsmetoder (såsom MR, CT, ultraljudsavbildning) för att ge mer omfattande biomedicinsk information.

Fotoakustisk avbildning är en ny och multifunktionell biomedicinsk avbildningsteknik som har egenskaper som hög kontrast, hög upplösning och icke-invasiv funktion. Med teknikens utveckling har fotoakustisk avbildning breda tillämpningsmöjligheter inom medicinsk diagnostik, grundläggande biologisk forskning, läkemedelsutveckling och andra områden.