Prinzipien der photoakustischen Bildgebung

Prinzipien der photoakustischen Bildgebung

Photoakustische Bildgebung (PAI) ist eine medizinische Bildgebungstechnik, dieOptikund Akustik zur Erzeugung von Ultraschallsignalen durch die Wechselwirkung vonLichtmit Gewebe, um hochauflösende Gewebebilder zu erhalten. Es wird häufig in der Biomedizin eingesetzt, insbesondere bei der Tumorerkennung, der Gefäßbildgebung, der Hautbildgebung und anderen Bereichen.

Prinzip:
1. Lichtabsorption und Wärmeausdehnung: – Die photoakustische Bildgebung nutzt den thermischen Effekt der Lichtabsorption. Die Pigmentmoleküle im Gewebe (z. B. Hämoglobin, Melanin) absorbieren Photonen (meist Nahinfrarotlicht), die in Wärmeenergie umgewandelt werden und so zu einem lokalen Temperaturanstieg führen.
2. Wärmeausdehnung verursacht Ultraschall: – Temperaturanstieg führt zu einer geringen Wärmeausdehnung des Gewebes, die Druckwellen (d. h. Ultraschall) erzeugt.
3. Ultraschallerkennung: – Die erzeugten Ultraschallwellen breiten sich im Gewebe aus und diese Signale werden anschließend von Ultraschallsensoren (z. B. Ultraschallsonden) empfangen und aufgezeichnet.
4. Bildrekonstruktion: Das erfasste Ultraschallsignal wird berechnet und verarbeitet, um das Struktur- und Funktionsbild des Gewebes zu rekonstruieren, wodurch die optischen Absorptionseigenschaften des Gewebes bereitgestellt werden können. Vorteile der photoakustischen Bildgebung: Hoher Kontrast: Die photoakustische Bildgebung beruht auf den Lichtabsorptionseigenschaften von Geweben, und verschiedene Gewebe (wie Blut, Fett, Muskeln usw.) haben unterschiedliche Fähigkeiten, Licht zu absorbieren, sodass kontrastreiche Bilder bereitgestellt werden können. Hohe Auflösung: Durch die Verwendung der hohen räumlichen Auflösung von Ultraschall kann die photoakustische Bildgebung eine Bildgenauigkeit im Millimeter- oder sogar Submillimeterbereich erreichen. Nicht-invasiv: Die photoakustische Bildgebung ist nicht-invasiv, Licht und Schall verursachen keine Gewebeschäden und eignen sich daher sehr gut für die medizinische Diagnose von Menschen. Tiefenbildgebungsfähigkeit: Im Vergleich zur herkömmlichen optischen Bildgebung kann die photoakustische Bildgebung mehrere Zentimeter unter die Haut eindringen, was sich für die Bildgebung tiefer Gewebe eignet.

Anwendung:
1. Gefäßbildgebung: – Die photoakustische Bildgebung kann die lichtabsorbierenden Eigenschaften des Hämoglobins im Blut erkennen und so die Struktur und den Sauerstoffstatus der Blutgefäße genau darstellen, um die Mikrozirkulation zu überwachen und Krankheiten zu beurteilen.
2. Tumorerkennung: – Die Angiogenese in Tumorgewebe ist normalerweise extrem häufig und die photoakustische Bildgebung kann durch die Erkennung von Anomalien in der Gefäßstruktur zur Früherkennung von Tumoren beitragen.
3. Funktionelle Bildgebung: – Mithilfe der photoakustischen Bildgebung kann die Sauerstoffversorgung von Geweben beurteilt werden, indem die Konzentration von Sauerstoff und Desoxyhämoglobin in Geweben ermittelt wird, was für die funktionelle Überwachung von Krankheiten wie Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen von großer Bedeutung ist.
4. Hautbildgebung: – Da die photoakustische Bildgebung sehr empfindlich auf oberflächliches Gewebe reagiert, eignet sie sich zur Früherkennung von Hautkrebs und zur Analyse von Hautanomalien.
5. Bildgebung des Gehirns: Durch photoakustische Bildgebung können auf nicht-invasive Weise Informationen über den zerebralen Blutfluss zur Untersuchung von Gehirnerkrankungen wie Schlaganfall und Epilepsie gewonnen werden.

Herausforderungen und Entwicklungsrichtungen der photoakustischen Bildgebung:
LichtquelleAuswahl: Die Lichtdurchdringung verschiedener Wellenlängen ist unterschiedlich. Die Wahl des richtigen Wellenlängengleichgewichts, der Auflösung und der Eindringtiefe ist eine Herausforderung. Signalverarbeitung: Die Erfassung und Verarbeitung von Ultraschallsignalen erfordert schnelle und präzise Algorithmen, und die Entwicklung der Bildrekonstruktionstechnologie ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Multimodale Bildgebung: Die photoakustische Bildgebung kann mit anderen Bildgebungsverfahren (wie MRT, CT, Ultraschallbildgebung) kombiniert werden, um umfassendere biomedizinische Informationen zu liefern.

Die photoakustische Bildgebung ist eine neue und multifunktionale biomedizinische Bildgebungstechnologie, die sich durch hohen Kontrast, hohe Auflösung und nicht-invasive Verfahren auszeichnet. Mit der Weiterentwicklung der Technologie bietet die photoakustische Bildgebung breite Anwendungsmöglichkeiten in der medizinischen Diagnostik, der biologischen Grundlagenforschung, der Arzneimittelentwicklung und anderen Bereichen.