Principper for fotoakustisk billeddannelse

Principper for fotoakustisk billeddannelse

Fotoakustisk billeddannelse (PAI) er en medicinsk billedbehandlingsteknik, der kombinereroptikog akustik til at generere ultralydssignaler ved hjælp af interaktion aflysmed væv for at opnå vævsbilleder i høj opløsning. Det er meget udbredt inden for biomedicinske områder, især inden for tumordetektion, vaskulær billeddannelse, hudbilleddannelse og andre områder.

Princip:
1. Lysabsorption og termisk ekspansion: – Fotoakustisk billeddannelse bruger den termiske effekt, der frembringes af lysabsorption. Pigmentmolekylerne i vævet (f.eks. hæmoglobin, melanin) absorberer fotoner (normalt nær-infrarødt lys), som omdannes til varmeenergi, hvilket får lokale temperaturer til at stige.
2. Termisk ekspansion forårsager ultralyd: – Temperaturstigning fører til lille termisk ekspansion af vævet, som producerer trykbølger (dvs. ultralyd).
3. Ultralydsdetektion: – De genererede ultralydsbølger forplanter sig i vævet, og disse signaler modtages og optages efterfølgende af ultralydssensorer (såsom ultralydsonder).
4. Billedrekonstruktion: Det opsamlede ultralydssignal beregnes og behandles for at genopbygge vævets struktur og funktionsbillede, hvilket kan give vævets optiske absorptionsegenskaber. Fordele ved fotoakustisk billeddannelse: Høj kontrast: Fotoakustisk billeddannelse er afhængig af vævs lysabsorptionsegenskaber, og forskellige væv (såsom blod, fedt, muskler osv.) har forskellige evner til at absorbere lys, så det kan give billeder med høj kontrast. Høj opløsning: Ved at bruge den høje rumlige opløsning af ultralyd kan fotoakustisk billeddannelse opnå millimeter eller endda sub-millimeter billednøjagtighed. Ikke-invasiv: Fotoakustisk billeddannelse er ikke-invasiv, lys og lyd vil ikke forårsage vævsskade, meget velegnet til human medicinsk diagnose. Dybdebilleddannelse: Sammenlignet med traditionel optisk billeddannelse kan fotoakustisk billeddannelse trænge flere centimeter ind under huden, hvilket er velegnet til dybvævsbilleddannelse.

Anvendelse:
1. Vaskulær billeddannelse: – Fotoakustisk billeddannelse kan detektere hæmoglobinets lysabsorberende egenskaber i blodet, så det nøjagtigt kan vise blodkarrenes struktur og iltningsstatus til overvågning af mikrocirkulation og bedømmelse af sygdomme.
2. Tumordetektion: – Angiogenese i tumorvæv er sædvanligvis ekstremt rigeligt, og fotoakustisk billeddannelse kan hjælpe tidlig påvisning af tumorer ved at påvise abnormiteter i vaskulær struktur.
3. Funktionel billeddannelse: – Fotoakustisk billeddannelse kan vurdere ilttilførslen af ​​væv ved at påvise koncentrationen af ​​iltning og deoxyhæmoglobin i væv, hvilket har stor betydning for den funktionelle overvågning af sygdomme som kræft og hjerte-kar-sygdomme.
4. Hudbilleddannelse: – Fordi fotoakustisk billeddannelse er meget følsom over for overfladisk væv, er den velegnet til tidlig påvisning af hudkræft og analyse af hudabnormiteter.
5. Hjernebilleddannelse: Fotoakustisk billeddannelse kan opnå information om cerebral blodgennemstrømning på en ikke-invasiv måde til undersøgelse af hjernesygdomme såsom slagtilfælde og epilepsi.

Udfordringer og udviklingsretninger for fotoakustisk billeddannelse:
Lyskildevalg: Lysindtrængning af forskellige bølgelængder er forskellig, hvordan man vælger den rigtige bølgelængdebalanceopløsning og indtrængningsdybde er en udfordring. Signalbehandling: Indsamling og behandling af ultralydssignaler kræver højhastigheds- og nøjagtige algoritmer, og udviklingen af ​​billedrekonstruktionsteknologi er også afgørende. Multimodal billeddannelse: Fotoakustisk billeddannelse kan kombineres med andre billeddannelsesmodaliteter (såsom MRI, CT, ultralydsbilleddannelse) for at give mere omfattende biomedicinsk information.

Fotoakustisk billeddannelse er en ny og multifunktionel biomedicinsk billeddannelsesteknologi, som har karakteristika af høj kontrast, høj opløsning og ikke-invasiv. Med udviklingen af ​​teknologi har fotoakustisk billeddannelse brede anvendelsesmuligheder inden for medicinsk diagnose, grundlæggende biologisk forskning, lægemiddeludvikling og andre områder.