Принципы фотоакустической визуализации

Принципы фотоакустической визуализации

Фотоакустическая визуализация (PAI) — это метод медицинской визуализации, который сочетает в себеоптикаи акустики для генерации ультразвуковых сигналов с использованием взаимодействиясветс тканями для получения изображений тканей с высоким разрешением. Широко используется в биомедицинских областях, особенно при обнаружении опухолей, визуализации сосудов, визуализации кожи и других областях.

Принцип:
1. Поглощение света и тепловое расширение: – Фотоакустическая визуализация использует тепловой эффект, возникающий при поглощении света. Молекулы пигмента в ткани (например, гемоглобин, меланин) поглощают фотоны (обычно ближний инфракрасный свет), которые преобразуются в тепловую энергию, вызывая повышение локальной температуры.
2. Тепловое расширение вызывает ультразвук: – Повышение температуры приводит к небольшому тепловому расширению ткани, что создает волны давления (то есть ультразвук).
3. Ультразвуковое обнаружение: – Генерируемые ультразвуковые волны распространяются внутри ткани, и эти сигналы впоследствии принимаются и регистрируются ультразвуковыми датчиками (например, ультразвуковыми зондами).
4. Реконструкция изображения: собранный ультразвуковой сигнал рассчитывается и обрабатывается для восстановления структуры и функционального изображения ткани, что может обеспечить оптические характеристики поглощения ткани. Преимущества фотоакустической визуализации: Высокая контрастность: фотоакустическая визуализация основана на характеристиках поглощения света тканями, а различные ткани (такие как кровь, жир, мышцы и т. д.) обладают различной способностью поглощать свет, поэтому она может обеспечивать высококонтрастные изображения. Высокое разрешение: используя высокое пространственное разрешение ультразвука, фотоакустическая визуализация может достигать точности изображения в миллиметрах или даже субмиллиметрах. Неинвазивность: фотоакустическая визуализация неинвазивна, свет и звук не вызывают повреждения тканей, что очень подходит для медицинской диагностики человека. Возможность глубинной визуализации: по сравнению с традиционной оптической визуализацией фотоакустическая визуализация может проникать на несколько сантиметров под кожу, что подходит для глубокой визуализации тканей.

Приложение:
1. Сосудистая визуализация: – Фотоакустическая визуализация позволяет обнаружить светопоглощающие свойства гемоглобина в крови, поэтому она может точно отображать структуру и уровень оксигенации кровеносных сосудов для мониторинга микроциркуляции и оценки заболеваний.
2. Выявление опухолей: – Ангиогенез в опухолевых тканях обычно чрезвычайно обилен, и фотоакустическая визуализация может помочь в раннем выявлении опухолей путем выявления аномалий в сосудистой структуре.
3. Функциональная визуализация: – Фотоакустическая визуализация позволяет оценить снабжение тканей кислородом путем определения концентрации оксигенации и дезоксигемоглобина в тканях, что имеет большое значение для функционального мониторинга таких заболеваний, как рак и сердечно-сосудистые заболевания.
4. Визуализация кожи: – Поскольку фотоакустическая визуализация очень чувствительна к поверхностным тканям, она подходит для раннего выявления рака кожи и анализа кожных аномалий.
5. Визуализация мозга: фотоакустическая визуализация позволяет получить информацию о мозговом кровотоке неинвазивным способом для изучения заболеваний мозга, таких как инсульт и эпилепсия.

Проблемы и направления развития фотоакустической визуализации:
Источник светаВыбор: Проникновение света разных длин волн различно, как выбрать правильное разрешение баланса длин волн и глубину проникновения — это сложная задача. Обработка сигнала: Получение и обработка ультразвуковых сигналов требуют высокоскоростных и точных алгоритмов, а также разработка технологии реконструкции изображений имеет решающее значение. Мультимодальная визуализация: Фотоакустическая визуализация может сочетаться с другими методами визуализации (такими как МРТ, КТ, ультразвуковая визуализация) для предоставления более полной биомедицинской информации.

Фотоакустическая визуализация — это новая и многофункциональная технология биомедицинской визуализации, которая обладает характеристиками высокой контрастности, высокого разрешения и неинвазивности. С развитием технологий фотоакустическая визуализация имеет широкие перспективы применения в медицинской диагностике, фундаментальных биологических исследованиях, разработке лекарств и других областях.