Hoe het Fotoakoestische Spectrum een Meerdimensionale Diagnose van Ziekten mogelijk maakt

In de laatste jaren is fotoakoestiek steeds belangrijker geworden als diagnostisch hulpmiddel, vooral op het gebied van ziekte-detectie. Fotoakoestiek combineert zowel optische als akoestische dimensies, wat het mogelijk maakt om gedetailleerde en geavanceerde beelden van weefsels te verkrijgen. Het gebruik van lichtabsorptie door verschillende chemische componenten biedt een gedetailleerder beeld dan traditionele echografie, maar tot nu toe is er relatief weinig aandacht besteed aan het akoestische aspect van deze technologie. Dit hoofdstuk richt zich dan ook op de aanvullende informatie die de akoestische dimensie van fotoakoestiek kan bieden voor medische toepassingen.

In veel gevallen kunnen de fotoakoestische signalen moeilijk worden geanalyseerd zonder gebruik te maken van geavanceerde technieken zoals Fourier-transformatie. Hierdoor wordt het mogelijk om de frequentie-informatie die bij de signalen hoort, te verkrijgen, maar de tijdsinformatie gaat verloren. Dit betekent dat we het dynamische gedrag van de weefsels op elk specifiek moment niet kunnen vastleggen. Daarom wordt in fotoakoestische systemen vaak gebruikgemaakt van verschillende aanvullende technieken, zoals het zogenaamde Fotoakoestisch Azimuth Power Spectrum (PA-PAS), om de signalen in verschillende richtingen te analyseren.

Het PA-PAS systeem is ontwikkeld om de beperkingen van traditionele systemen te overwinnen. Gewone fotoakoestische systemen kunnen niet altijd de volledige hoekinformatie van een weefsel verkrijgen, omdat ze vaak slechts een beperkt aantal hoeken kunnen meten. In complexe biologische omgevingen kan dit leiden tot onnauwkeurige beelden of een verlies aan cruciale structurele informatie. Door de fotoakoestische signalen in verschillende hoeken te analyseren, kunnen we een vollediger en gedetailleerder beeld krijgen van het onderzochte weefsel. Dit is vooral nuttig bij het onderzoeken van structuren zoals bloedvaten, die een bepaalde groeirichting hebben en waar de fotoakoestische signalen anisotropie vertonen.

Het is belangrijk te begrijpen dat deze technieken niet alleen van toepassing zijn op de analyse van bloedvaten, maar ook kunnen worden uitgebreid naar andere weefselstructuren die anisotropie vertonen. Het gebruik van een tijd-frequentiedomein-analyse (PA-TFS), bijvoorbeeld, maakt het mogelijk om zowel de temporele als de frequentie-informatie van de signalen vast te leggen, wat een nog gedetailleerder inzicht biedt in de dynamiek van de weefsels. Dit is bijzonder nuttig wanneer men de verandering in de weefsels in de tijd wil volgen, zoals bij het monitoren van tumorgroei of de evolutie van bepaalde ziekteprocessen.

Naast het inzicht in de microstructuur van weefsels biedt de fotoakoestische power spectrum-techniek ook waardevolle informatie over de chemische samenstelling van de weefsels. Het vermogen van het systeem om te reageren op verschillende lichtabsorpties in weefsels betekent dat we de concentratie van verschillende componenten, zoals hemoglobine in bloedvaten, kunnen meten. Dit stelt ons in staat om een beter begrip te krijgen van de weefselsamenstelling, wat van cruciaal belang is voor het stellen van een juiste diagnose en het volgen van ziekteprogressie.

De praktijk van het toepassen van fotoakoestiek in de medische diagnostiek is dus niet alleen een kwestie van het verkrijgen van beelden, maar vereist een diepgaand begrip van hoe signalen zich verspreiden en zich gedragen in complexe weefselsystemen. Door gebruik te maken van geavanceerde analysemethoden zoals PA-PAS en PA-TFS kunnen we deze signalen niet alleen interpreteren, maar ook de dynamische en structurele eigenschappen van weefsels in een klinische setting volledig benutten.

Wat zijn de laatste ontwikkelingen in fotoakoestische microscopie en welke impact hebben ze op de medische beeldvorming?

Fotoakoestische microscopie (PAM) is een geavanceerde techniek die optische absorptie en akoestische signalen combineert om gedetailleerde beelden van biologische weefsels te verkrijgen zonder dat er een label nodig is. De ontwikkeling van PAM heeft de beeldvorming op cellulair niveau drastisch verbeterd, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor de in-vivo diagnostiek van ziekten zoals kanker, hart- en vaatziekten, en neurologische aandoeningen. Deze techniek maakt gebruik van lasers om weefsels te verlichten, waarna de opgewekte thermische expansie van het weefsel geluidsgolven veroorzaakt die door een detector worden opgepikt. Deze geluidsgolven worden vervolgens omgezet in beelden met een resolutie die aanzienlijk beter is dan die van traditionele optische beeldvormingstechnieken.

Recente innovaties in fotoakoestische microscopie, zoals multispectrale beeldvorming en de toepassing van geavanceerde deep learning-algoritmen, hebben de resolutie en snelheid van fotoakoestische microscopen verbeterd. Hierdoor kunnen onderzoekers en artsen nu meer gedetailleerde beelden krijgen van subcellulaire structuren, zoals cellulaire kernen, zonder dat er gebruik wordt gemaakt van schadelijke contrastmiddelen. Dit heeft de toepassing van PAM in de klinische praktijk vergemakkelijkt, vooral voor intraoperatieve toepassingen waar snelle en nauwkeurige beeldvorming van weefsels essentieel is.

De integratie van diep-lerende technologieën heeft de beeldkwaliteit verder geoptimaliseerd. Bijvoorbeeld, de gebruikmaking van deep learning om histologische beelden van botweefsel te genereren zonder het gebruik van kleurstoffen heeft aangetoond dat deze techniek veelbelovend is voor de chirurgische planning en de beoordeling van tumoren in real-time. Zulke ontwikkelingen zijn een stap vooruit in de medische beeldvorming, omdat ze artsen in staat stellen om sneller en met meer precisie beslissingen te nemen.

Daarnaast is de recentste vooruitgang in fotoakoestische microscopie gericht op de toepassing van nieuwe lichtbronnen, zoals diodelasers en op laserdiode gebaseerde systemen. Deze systemen maken het mogelijk om afbeeldingen te verkrijgen bij verschillende golflengten, wat cruciaal is voor het verkrijgen van beelden met verschillende dieptes in het lichaam. Bovendien heeft de toepassing van optisch akoestische microscopie met een naaldvormige bundel, zoals beschreven in recente studies, de diepte van beeldvorming aanzienlijk vergroot, waardoor nauwkeuriger in beeld kan worden gebracht wat zich diep in het weefsel bevindt.

Een ander opvallend punt is de ontwikkeling van super-resolutie fotoakoestische beeldvorming. Door gebruik te maken van geavanceerde technieken zoals de Grüneisen-relaxatie, is het mogelijk om beelden van een sub-diffractionale resolutie te verkrijgen. Dit heeft aanzienlijke implicaties voor het begrijpen van cellulaire structuren op moleculair niveau, iets dat eerder onbereikbaar was met traditionele beeldvormingstechnieken.

Naast de technische vooruitgangen, is het ook belangrijk om te realiseren dat de praktische toepassing van deze technologieën niet zonder uitdagingen is. De technische complexiteit, de vereiste nauwkeurigheid bij het afstellen van systemen, en de integratie van deze systemen in routinematige klinische praktijken zijn nog steeds obstakels die overwonnen moeten worden. Desondanks blijft de vooruitgang in fotoakoestische microscopie een krachtig hulpmiddel dat de grenzen van de medische diagnostiek verder uitbreidt.

Hoe de Ontwikkeling van Composieten de Prestaties van Ultrasound bij Optoacoustische Beeldvorming Verbetert

In de recente vooruitgangen op het gebied van optoacoustische beeldvorming (OpUS) speelt het gebruik van geavanceerde composieten een cruciale rol. Traditionele materialen, zoals dunne metalen films, worden steeds vaker vervangen door samengestelde materialen die een grotere mate van aanpassing en optimalisatie mogelijk maken. Deze innovaties richten zich niet alleen op de verbetering van de ultrasone druk, maar ook op het efficiënter overdragen van thermische en optische energie, wat leidt tot een significante verbetering van de prestaties van ultrasone systemen in medische en wetenschappelijke toepassingen.

Een van de opmerkelijke ontwikkelingen is het ontwerp van een metalen-polymeer sandwichcomposiet, voorgesteld door Lee et al. Dit composiet bestaat uit lagen van PDMS (polydimethylsiloxaan) en metalen films van Cr (chroom) en Al (aluminium), gestapeld op een glazen substraat. Het ontwerp creëert een optische resonantiecaviteit tussen de Cr- en Al-lagen, die de absorptie van optische straling aanzienlijk verhoogt. De dunne Cr-laag, die slechts 10 nm dik is, fungeert als het medium dat ultrasone golven genereert door de geabsorbeerde optische energie efficiënt om te zetten in warmte. Dankzij het reflecterende effect van de Al-laag wordt ongeabsorbeerde optische straling teruggekaatst naar de Cr-laag, wat de algehele optische absorptie verbetert. Dit leidt tot een ultrasonisch drukniveau van meer dan 1,82 MPa bij een laserfluïd van 2,35 mJ/cm². Deze benadering stelt de onderzoekers in staat om zowel de warmteoverdracht als de optische absorptie te maximaliseren, wat een grotere efficiëntie in de ultrasone prestaties oplevert dan in veel eerdere studies die zich uitsluitend richtten op de optische absorptie.

Naast het metaal-polymeer sandwichontwerp worden composieten vaak vervaardigd volgens drie hoofdmethoden: bottom-up, top-down en all-in-one. De bottom-up methode begint met het aanbrengen van een nanopartikel-laag op het substraat, waarna een elastomeer wordt toegevoegd als overcoat. Bij de top-down methode wordt het elastomeer eerst aangebracht en vervolgens worden de nanodeeltjes geïntegreerd. De all-in-one methode mengt elastomeer en nanodeeltjes direct om een enkele samenstelling te creëren, die dan op het substraat wordt aangebracht. Deze technieken maken het mogelijk om nanodeeltjes van metalen of koolstofhoudende absorbeerders te integreren, wat de thermische en optische eigenschappen van het composiet verder optimaliseert.

Echter, een belangrijke beperking van de CB-PDMS composieten is de optische penetratiediepte, die de bandbreedte van de gegenereerde ultrasone golven beïnvloedt. Bij dikkere lagen, zoals de 25 μm dikke CB-PDMS coating, werd de ultrasone energie van hogere frequenties sterk geattenueerd. Buma et al. ontdekten dat een dunnere laag (bijvoorbeeld 11 μm) een bredere bandbreedte mogelijk maakt, doordat de hogere frequenties minder geabsorbeerd worden door het materiaal. Verder onderzoek suggereert dat het gebruik van kortere laserpulsen de efficiëntie van de fotoakoestische conversie kan verbeteren, wat leidt tot een hogere resolutie van de uiteindelijke beelden.

De vergelijkingen tussen CB-PDMS composieten en traditionele piezo-elektrische ultrasone transducers benadrukken de voordelen van de composieten, vooral bij hogere frequenties (>20 MHz). In toepassingen waar hoge resolutie vereist is, zoals in medische beeldvorming, kunnen CB-PDMS composieten superieure prestaties leveren, zowel in termen van efficiëntie als in het produceren van bredere bandbreedtes en hogere frequenties.

De vooruitgang in composietmaterialen voor OpUS biedt enorme mogelijkheden voor de toekomst van medische beeldvorming en therapieën. Niet alleen kunnen we de prestaties van ultrasone systemen verbeteren, maar we kunnen ook nieuwe materialen ontwikkelen die beter afgestemd zijn op de specifieke eisen van de beeldvormingstechnieken. De integratie van nanodeeltjes, de aanpassing van de materiaalstructuur en de optimalisatie van de laserpulsen zijn slechts enkele van de richtingen die verdere innovaties mogelijk maken in dit opwindende veld.