Принципи фотоакустичної візуалізації

Принципи фотоакустичної візуалізації

Фотоакустична візуалізація (ФАІ) – це метод медичної візуалізації, який поєднуєоптиката акустику для генерації ультразвукових сигналів за допомогою взаємодіїсвітлоз тканинами для отримання зображень тканин високої роздільної здатності. Він широко використовується в біомедичних галузях, особливо для виявлення пухлин, судинної візуалізації, візуалізації шкіри та інших галузях.

Принцип:
1. Поглинання світла та теплове розширення: – Фотоакустична візуалізація використовує тепловий ефект, що виникає внаслідок поглинання світла. Молекули пігменту в тканинах (наприклад, гемоглобін, меланін) поглинають фотони (зазвичай ближнє інфрачервоне світло), які перетворюються на теплову енергію, що призводить до підвищення локальної температури.
2. Теплове розширення викликає ультразвук: – Підвищення температури призводить до незначного теплового розширення тканини, що створює хвилі тиску (тобто ультразвук).
3. Ультразвукове виявлення: – Згенеровані ультразвукові хвилі поширюються всередині тканини, і ці сигнали згодом приймаються та реєструються ультразвуковими датчиками (такими як ультразвукові зонди).
4. Реконструкція зображення: зібраний ультразвуковий сигнал обчислюється та обробляється для відновлення зображення структури та функції тканини, що може забезпечити характеристики оптичного поглинання тканини. Переваги фотоакустичної візуалізації: Висока контрастність: Фотоакустична візуалізація спирається на характеристики поглинання світла тканинами, а різні тканини (такі як кров, жир, м'язи тощо) мають різну здатність поглинати світло, тому вона може забезпечити зображення з високою контрастністю. Висока роздільна здатність: Завдяки високій просторовій роздільній здатності ультразвуку, фотоакустична візуалізація може досягти міліметрової або навіть субміліметрової точності зображення. Неінвазивність: Фотоакустична візуалізація є неінвазивною, світло та звук не викликають пошкодження тканин, що дуже підходить для медичної діагностики людини. Можливість глибинної візуалізації: Порівняно з традиційною оптичною візуалізацією, фотоакустична візуалізація може проникати на кілька сантиметрів під шкіру, що підходить для візуалізації глибоких тканин.

Застосування:
1. Судинна візуалізація: – Фотоакустична візуалізація може виявляти світлопоглинальні властивості гемоглобіну в крові, тому вона може точно відображати структуру та стан оксигенації кровоносних судин для моніторингу мікроциркуляції та оцінки захворювань.
2. Виявлення пухлин: – Ангіогенез у пухлинних тканинах зазвичай надзвичайно рясний, і фотоакустична візуалізація може допомогти ранньому виявленню пухлин шляхом виявлення аномалій у судинній структурі.
3. Функціональна візуалізація: – Фотоакустична візуалізація може оцінити постачання тканин киснем, виявляючи концентрацію оксигенації та дезоксигемоглобіну в тканинах, що має велике значення для функціонального моніторингу таких захворювань, як рак та серцево-судинні захворювання.
4. Візуалізація шкіри: – Оскільки фотоакустична візуалізація дуже чутлива до поверхневих тканин, вона підходить для раннього виявлення раку шкіри та аналізу шкірних аномалій.
5. Візуалізація мозку: Фотоакустична візуалізація може отримувати інформацію про мозковий кровотік неінвазивним способом для вивчення захворювань мозку, таких як інсульт та епілепсія.

Проблеми та напрямки розвитку фотоакустичної візуалізації:
Джерело світлаВибір: Проникнення світла різних довжин хвиль відрізняється, тому вибір правильного балансу довжин хвиль, роздільної здатності та глибини проникнення є складним завданням. Обробка сигналів: Отримання та обробка ультразвукових сигналів вимагає високошвидкісних і точних алгоритмів, а розробка технології реконструкції зображень також має вирішальне значення. Мультимодальна візуалізація: Фотоакустичну візуалізацію можна поєднувати з іншими методами візуалізації (такими як МРТ, КТ, ультразвукова візуалізація) для отримання більш повної біомедичної інформації.

Фотоакустична візуалізація – це нова багатофункціональна технологія біомедичної візуалізації, яка характеризується високою контрастністю, високою роздільною здатністю та неінвазивністю. З розвитком технологій фотоакустична візуалізація має широкі перспективи застосування в медичній діагностиці, фундаментальних біологічних дослідженнях, розробці ліків та інших галузях.