Principper for fotoakustisk billeddannelse

Principper for fotoakustisk billeddannelse

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

Princip:
1. Lysabsorption og termisk udvidelse: – Fotoakustisk billeddannelse bruger den termiske effekt, der frembringes ved lysabsorption. Pigmentmolekylerne i vævet (f.eks. hæmoglobin, melanin) absorberer fotoner (normalt nær-infrarødt lys), som omdannes til varmeenergi, hvilket får de lokale temperaturer til at stige.
2. Termisk udvidelse forårsager ultralyd: – Temperaturstigning fører til en lille termisk udvidelse af vævet, hvilket producerer trykbølger (dvs. ultralyd).
3. Ultralyddetektion: – De genererede ultralydbølger udbreder sig i vævet, og disse signaler modtages og optages efterfølgende af ultralydssensorer (såsom ultralydsonder).
4. Billedrekonstruktion: Det indsamlede ultralydssignal beregnes og behandles for at genopbygge vævets struktur og funktion, hvilket kan give vævets optiske absorptionsegenskaber. Fordele ved fotoakustisk billeddannelse: Høj kontrast: Fotoakustisk billeddannelse er afhængig af vævets 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 ultralyds høje rumlige opløsning kan fotoakustisk billeddannelse opnå millimeter- eller endda submillimeterbilleddannelsesnøjagtighed. Ikke-invasiv: Fotoakustisk billeddannelse er ikke-invasiv, lys og lyd vil ikke forårsage vævsskade, hvilket er meget velegnet til medicinsk diagnose af mennesker. Dybdebilleddannelseskapacitet: 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 hæmoglobins lysabsorberende egenskaber i blodet, så den nøjagtigt kan vise strukturen og iltningsstatussen i blodkarrene til overvågning af mikrocirkulationen og bedømmelse af sygdomme.
2. Tumordetektion: – Angiogenese i tumorvæv er normalt ekstremt rigelig, og fotoakustisk billeddannelse kan hjælpe med tidlig påvisning af tumorer ved at detektere abnormiteter i den vaskulære struktur.
3. Funktionel billeddannelse: – Fotoakustisk billeddannelse kan vurdere vævs iltforsyning ved at detektere koncentrationen af ​​iltning og deoxyhæmoglobin i væv, hvilket er af stor betydning for funktionel overvågning af sygdomme som kræft og hjerte-kar-sygdomme.
4. Hudbilleddannelse: – Da fotoakustisk billeddannelse er meget følsom over for overfladisk væv, er den velegnet til tidlig påvisning af hudkræft og analyse af hudafvigelser.
5. Hjernebilleddannelse: Fotoakustisk billeddannelse kan indhente information om cerebral blodgennemstrømning på en ikke-invasiv måde til undersøgelse af hjernesygdomme såsom slagtilfælde og epilepsi.

Udfordringer og udviklingsretninger inden for fotoakustisk billeddannelse:
Lyskildeudvælgelse: Lyspenetration af forskellige bølgelængder er forskellig, og det er en udfordring at vælge den rigtige bølgelængdebalance, opløsning og penetrationsdybde. Signalbehandling: Optagelse og behandling af ultralydssignaler kræver højhastigheds- og præcise algoritmer, og udviklingen af ​​billedrekonstruktionsteknologi er også afgørende. Multimodal billeddannelse: Fotoakustisk billeddannelse kan kombineres med andre billeddannelsesmodaliteter (såsom MR-, CT- og ultralydsbilleddannelse) for at give mere omfattende biomedicinsk information.

Fotoakustisk billeddannelse er en ny og multifunktionel biomedicinsk billeddannelsesteknologi, der har egenskaber som høj kontrast, høj opløsning og ikke-invasiv. Med teknologiens udvikling har fotoakustisk billeddannelse brede anvendelsesmuligheder inden for medicinsk diagnose, grundlæggende biologisk forskning, lægemiddeludvikling og andre områder.