Prinzipien der photoakustischen Bildgebung

Prinzipien der photoakustischen Bildgebung

Die photoakustische Bildgebung (PAI) ist eine medizinische Bildgebungstechnik, die sich kombiniertOptikund Akustik, um Ultraschallsignale unter Verwendung der Interaktion von zu generierenLichtmit Gewebe, um hochauflösende Gewebebilder zu erhalten. Es wird in biomedizinischen Feldern weit verbreitet, insbesondere in Tumorerkennung, Gefäßbildgebung, Hautbildgebung und anderen Feldern.

Prinzip:
1. Lichtabsorption und thermische Expansion: - Photoakustische Bildgebung verwendet den thermischen Effekt, der durch Lichtabsorption erzeugt wird. Die Pigmentmoleküle im Gewebe (z. B. Hämoglobin, Melanin) absorbieren Photonen (üblicherweise infrarotes Licht), die in Wärmeenergie umgewandelt werden, wodurch die lokalen Temperaturen steigen.
2. Die thermische Expansion führt zu Ultraschall: - Temperaturanstieg führt zu einer winzigen thermischen Expansion des Gewebes, die Druckwellen erzeugt (dh Ultraschall).
3. Ultraschallerkennung: - Die erzeugten Ultraschallwellen propagieren sich innerhalb des Gewebes, und diese Signale werden anschließend von Ultraschallsensoren (wie Ultraschallsonden) empfangen und aufgezeichnet.
4. Bildrekonstruktion: Das gesammelte Ultraschallsignal wird berechnet und verarbeitet, um das Struktur- und Funktionsbild des Gewebes wieder aufzubauen, das die optischen Absorptionseigenschaften des Gewebes liefern kann. Vorteile der photoakustischen Bildgebung: Hohe Kontrast: Die photoakustische Bildgebung basiert auf den Lichtabsorptionseigenschaften von Geweben, und verschiedene Gewebe (wie Blut, Fett, Muskeln usw.) haben unterschiedliche Fähigkeiten, um Licht zu absorbieren, sodass es mit hohen kontrastischen Bildern liefern kann. Hochauflösend: Mithilfe der hohen räumlichen Auflösung von Ultraschall kann die photoakustische Bildgebung Millimeter oder sogar die Genauigkeit des Untermillimeter-Bildgebungsgenauigkeit erreichen. Nicht-invasiv: Die photoakustische Bildgebung ist nicht-invasiv, Licht und Klang verursachen keine Gewebeschäden, die für die medizinische Diagnose des Menschen sehr geeignet sind. In der Tiefenbildgebungsfähigkeit: Im Vergleich zur traditionellen optischen Bildgebung kann die photoakustische Bildgebung mehrere Zentimeter unter der Haut durchdringen, was für die Bildgebung der Tiefengewebe geeignet ist.

Anwendung:
1. Gefäßbildgebung:-Die photoakustische Bildgebung kann die lichtabsorbierenden Eigenschaften von Hämoglobin im Blut erkennen, sodass es den Struktur und den Sauerstoffverhältnis von Blutgefäßen zur Überwachung von Mikrozirkulation und Beurteilung von Krankheiten genau aufweisen kann.
2. Tumorerkennung: - Die Angiogenese in Tumorgeweben ist normalerweise extrem häufig, und die photoakustische Bildgebung kann den frühen Nachweis von Tumoren durch Nachweis von Anomalien in der Gefäßstruktur helfen.
3. Funktionelle Bildgebung: - Photoakustische Bildgebung kann die Sauerstoffversorgung von Geweben bewerten, indem die Konzentration von Sauerstoffversorgung und Desoxyhämoglobin in Geweben nachgewiesen wird, was für die funktionelle Überwachung von Krankheiten wie Krebs und kardiovaskuläre Erkrankungen von großer Bedeutung ist.
4. Hautbildgebung: - Da die photoakustische Bildgebung sehr empfindlich gegenüber oberflächlichem Gewebe ist, ist es für den frühen Nachweis von Hautkrebs und die Analyse von Hautanomalien geeignet.
5. Gehirnbildgebung: Die photoakustische Bildgebung kann für die Untersuchung von Hirnkrankheiten wie Schlaganfall und Epilepsie nicht-invasive Bildgebung von Gehirnblutfluss erhalten.

Herausforderungen und Entwicklungsrichtungen der photoakustischen Bildgebung:
LichtquelleSelektion: Die Lichtdurchdringung verschiedener Wellenlängen ist unterschiedlich. Die Auswahl der Ausgleichsauflösung und Penetrationstiefe der rechten Wellenlänge ist eine Herausforderung. Signalverarbeitung: Die Erfassung und Verarbeitung von Ultraschallsignalen erfordern Hochgeschwindigkeits- und genaue Algorithmen, und die Entwicklung der Bildrekonstruktionstechnologie ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Multimodale Bildgebung: Die photoakustische Bildgebung kann mit anderen Bildgebungsmodalitäten (wie MRT, CT, Ultraschallbildgebung) kombiniert werden, um umfassendere biomedizinische Informationen zu liefern.

Die photoakustische Bildgebung ist eine neue und multifunktionale biomedizinische Bildgebungstechnologie, die die Eigenschaften von hoher Kontrast, hoher Auflösung und nicht-invasiven Eigenschaften aufweist. Mit der Entwicklung der Technologie verfügt die photoakustische Bildgebung über umfassende Anwendungsaussichten in der medizinischen Diagnose, in der grundlegenden Biologieforschung, der Arzneimittelentwicklung und anderer Bereiche.