Prinzipien der photoakustischen Bildgebung

Prinzipien der photoakustischen Bildgebung

Photoakustische Bildgebung (PAI) ist ein medizinisches Bildgebungsverfahren, das kombiniertOptikund Akustik, um durch das Zusammenspiel von Ultraschallsignale zu erzeugenLichtmit Gewebe, um hochauflösende Gewebebilder zu erhalten. Es wird häufig in biomedizinischen Bereichen eingesetzt, insbesondere in der Tumorerkennung, Gefäßbildgebung, Hautbildgebung und anderen Bereichen.

Prinzip:
1. Lichtabsorption und Wärmeausdehnung: – Die photoakustische Bildgebung nutzt den thermischen Effekt, der durch Lichtabsorption entsteht. Die Pigmentmoleküle im Gewebe (z. B. Hämoglobin, Melanin) absorbieren Photonen (normalerweise Licht im nahen Infrarotbereich), die in Wärmeenergie umgewandelt werden, wodurch die lokale Temperatur ansteigt.
2. Wärmeausdehnung verursacht Ultraschall: – Ein Temperaturanstieg führt zu einer geringfügigen Wärmeausdehnung des Gewebes, die Druckwellen (dh 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 gesammelte Ultraschallsignal wird berechnet und verarbeitet, um das Struktur- und Funktionsbild des Gewebes wiederherzustellen, das die optischen Absorptionseigenschaften des Gewebes liefern kann. 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 zur Lichtabsorption, sodass sie kontrastreiche Bilder liefern können. Hohe Auflösung: Mithilfe 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 Ton verursachen keine Gewebeschäden und eignen sich sehr gut für die medizinische Diagnose beim Menschen. Fähigkeit zur Tiefenbildgebung: Im Vergleich zur herkömmlichen optischen Bildgebung kann die photoakustische Bildgebung mehrere Zentimeter unter die Haut eindringen, was für die Bildgebung tiefer Gewebe geeignet ist.

Anwendung:
1. Gefäßbildgebung: – Die photoakustische Bildgebung kann die lichtabsorbierenden Eigenschaften von Hämoglobin im Blut erkennen und so die Struktur und den Sauerstoffstatus von Blutgefäßen genau anzeigen, um die Mikrozirkulation zu überwachen und Krankheiten zu beurteilen.
2. Tumorerkennung: – Angiogenese in Tumorgeweben ist in der Regel äußerst häufig, und die photoakustische Bildgebung kann durch die Erkennung von Anomalien in der Gefäßstruktur bei der Früherkennung von Tumoren helfen.
3. Funktionelle Bildgebung: – Die photoakustische Bildgebung kann die Sauerstoffversorgung von Geweben beurteilen, indem sie die Konzentration von Sauerstoff und Desoxyhämoglobin im Gewebe erfasst, 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: Mit der photoakustischen Bildgebung können auf nicht-invasive Weise Informationen zum zerebralen Blutfluss für die Untersuchung von Gehirnerkrankungen wie Schlaganfall und Epilepsie gewonnen werden.

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

Die photoakustische Bildgebung ist eine neue und multifunktionale biomedizinische Bildgebungstechnologie, die sich durch hohen Kontrast, hohe Auflösung und nicht-invasive Eigenschaften auszeichnet. Mit der Entwicklung der Technologie hat die photoakustische Bildgebung breite Anwendungsaussichten in der medizinischen Diagnose, der biologischen Grundlagenforschung, der Arzneimittelentwicklung und anderen Bereichen.