De ontwikkeling van niet-invasieve hersenonderzoekstechnieken bij grotere zoogdieren, waaronder mensen, stuit op aanzienlijke uitdagingen door de complexe eigenschappen van de schedel. De menselijke schedel bestaat uit drie lagen dicht bot, met een dikte variërend van 3 tot 11 millimeter, wat ongeveer tien keer dikker is dan die van muizen. Deze dikte veroorzaakt een sterke verzwakking en verstrooiing van fotoakoestische (PA) signalen, waardoor beelden vaak ernstige artefacten en speckle-patronen vertonen.

Verschillende innovatieve benaderingen zijn voorgesteld om deze problemen te overwinnen. Chen et al. combineerden scanning acoustic microscopy met traditionele fotoakoestische microscopie en gebruikten ultrasone echo’s als filters om reflectie-artefacten in de PA-signalen te verwijderen. Hosseini et al. hielden rekening met faseafwijkingen en meerdere verstrooiingen in de schedel door een refractieve correctiemethode toe te passen, wat leidde tot nauwkeurigere transcraniële beelden. Ni et al. valideerden met een sferische array PA tomografiesysteem het in beeld brengen van structuren door gezonde temporale botten, bevestigd met MRI.

De PA memory effect-benadering van Ben et al. gebruikt het feit dat nabijgelegen ultrasone golven dezelfde vervormingen ondergaan als de PA-signalen, waardoor een transmissiemodel kan worden ontwikkeld dat het verstorende effect van de schedel compenseert. Na et al. ontwikkelden een reconstructiemethode gebaseerd op een gelaagde universele backprojection (L-UBP), die rekening houdt met akoestische refractie, golfconversie en verzwakking, wat de kwaliteit van transcraniële PA-beeldvorming aanzienlijk verbetert.

Ook geavanceerde wiskundige methoden worden ingezet. Poudel et al. introduceerden een inversiemethode gebaseerd op de elastische golfvergelijking, waarmee de heterogeniteit van de schedel werd gemodelleerd en 3D reconstructie van PA-beeldvorming werd geoptimaliseerd. De beperking van traditionele array transducers, die slechts een beperkte hoek bestrijken en daarmee een slecht gedefinieerd inverse probleem veroorzaken, werd ondervangen door Gao et al. door het gebruik van een data-gedreven U-Net convolutioneel neuraal netwerk. Dit netwerk is getraind om zwakke en sterk verstoorde PA speckle signalen te ontleden, waarbij zowel hoge als lage frequentie-informatie behouden blijft, wat essentieel is gezien de breedbandige aard van de PA signalen die voortkomen uit bloedvaten van verschillende grootte. Door batchnormalisatie kon het netwerk ook ultrahoge frequenties verwerken, wat cruciaal is voor het onderscheiden van fijnmazige vasculaire structuren in de hersenen.

Deze innovatieve methoden laten zien dat, ondanks de complexe akoestische en optische eigenschappen van de schedel, het mogelijk is om kwalitatief hoogwaardige PA-beelden van intracraniale structuren te verkrijgen. Dit opent de deur naar toepassingen in preklinisch en klinisch onderzoek, waar het monitoren van bijvoorbeeld bloedzuurstofverandering en metabole processen van groot belang is.

In preklinische dierexperimenten toonde de multi-golflengte PAI techniek van Wood et al. aan dat bloedzuurstofveranderingen in het beenmerg van leukemieratten nauwkeurig gevolgd kunnen worden. Echter, de verschillen tussen in-vitro of kleine dierenmodellen en levende mensen zijn fundamenteel. De dikkere botstructuren en omliggende zachte weefsels in mensen veroorzaken zwaardere verstrooiing en verzwakking van licht en geluid, wat directe toepassing van traditionele methoden problematisch maakt. Om deze reden zijn er nieuwe kwantificerings- en inversiemethoden nodig voor niet-invasieve evaluatie van botmicrostructuur en metabole informatie in vivo.

Steinberg et al. toonden aan dat het energieratio van PA-signalen bij dubbele golflengte een lineaire relatie heeft met het botmergbloedvolume, waarmee niet-invasieve evaluatie van de snelheid van ultrageluid in het scheenbeen en het vetgehalte in het merghol mogelijk wordt. Dit illustreert het potentieel van PA technologie voor vroege diagnose van bot- en beenmergstoornissen.

De voorlopige ontwikkeling van een PA- en ultrageluid dual-mode prototype door Feng et al. combineert coaxiaal de licht- en ultrasone propagatiepaden, waardoor compensatie- en richtingsinformatie kan worden geïntegreerd in het beeldvormingsproces. Dit concept belooft verbeterde precisie in de penetratie en evaluatie van botstructuren.

Naast technologische vooruitgang is het essentieel om te begrijpen dat de complexe fysica van licht- en geluidsgolven in biologische weefsels een multidimensionaal probleem creëert. De combinatie van spectrale, ruimtelijke en temporele eigenschappen vereist geavanceerde algoritmes die rekening houden met heterogeniteit, niet-lineaire verstoringen en gelaagde structuren. Daarnaast is het noodzakelijk om de validiteit van de verkregen beelden te verifiëren met complementaire methoden zoals MRI of histologie. Het verbeteren van transcraniële PA beeldvorming is niet louter een technisch vraagstuk, maar vereist integratie van biofysische kennis, datawetenschap en klinische relevantie om daadwerkelijk toepasbare diagnostische hulpmiddelen te ontwikkelen.

Hoe kan LED-gebaseerde fotoakoestische beeldvorming bijdragen aan medische diagnostiek en behandeling?

De recente vooruitgangen in medische beeldvormingstechnologieën hebben de diagnostiek en behandeling van verschillende ziekten verbeterd. Een van de innovatieve technieken die steeds vaker wordt toegepast, is fotoakoestische beeldvorming, vooral wanneer gebruik wordt gemaakt van licht-emitterende dioden (LED's) als bron van excitatie. Deze technologie biedt de mogelijkheid om gedetailleerde beelden van biologische weefsels te verkrijgen door het combineren van de voordelen van zowel optische beeldvorming als echografie.

LED-gebaseerde fotoakoestische beeldvorming heeft veelbelovende toepassingen gevonden in de medische wereld. Het wordt gebruikt voor het visualiseren van bloedvaten, het begeleiden van minimaal invasieve procedures en zelfs voor het detecteren van ontstekingen in gewrichten. Zo is in verschillende studies aangetoond dat LED's in staat zijn om het visueel vastleggen van perifere bloedvaten te verbeteren tijdens een cuff-occlusie. Dit biedt artsen een nieuwe manier om real-time te monitoren wat er in het lichaam gebeurt zonder de noodzaak van invasieve procedures, zoals het afnemen van bloedmonsters.

Een ander fascinerend gebruik van deze technologie is in de beeldvorming van gewrichtsontstekingen, bijvoorbeeld bij reumatoïde artritis. De LED-gebaseerde fotoakoestische systemen hebben bewezen een haalbare methode te zijn voor het detecteren van vroege stadia van gewrichtsontsteking in diermodellen. Dit opent de deur naar mogelijk vroegtijdige diagnostiek en gerichte behandelingen voor aandoeningen die anders moeilijk te identificeren zijn met traditionele beeldvormingstechnieken.

Het gebruik van LED's in plaats van meer traditionele lichtbronnen zoals lasers biedt verschillende voordelen. LED's zijn kosteneffectief, energiezuinig en kunnen eenvoudig worden geïntegreerd in draagbare apparaten. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor gebruik in klinische omgevingen, waar mobiliteit en kosten vaak van groot belang zijn. Draagbare systemen kunnen artsen helpen om snel en efficiënt diagnoses te stellen, wat cruciaal is in bijvoorbeeld spoedeisende zorg of bij het monitoren van chronische aandoeningen.

Naast de toepassing in gewrichten en bloedvaten, wordt de LED-gebaseerde fotoakoestische technologie ook steeds vaker gebruikt voor het visualiseren van lymphatische vaten bij patiënten met lymfoedeem. Door gebruik te maken van deze techniek kunnen artsen de conditie van de lymfatische vaten nauwkeurig in kaart brengen, wat hen in staat stelt om gerichte behandelingen te plannen en de effectiviteit van interventies te monitoren.

De ontwikkeling van LED-gebaseerde fotoakoestische systemen is niet zonder uitdagingen. Er wordt voortdurend onderzoek gedaan naar manieren om de penetratie van het licht te verhogen, zodat dieper liggende weefsels, zoals tumoren, ook duidelijk zichtbaar kunnen worden. Het gebruik van LED-array lichtbronnen in plaats van enkele LED's is een van de strategieën die worden onderzocht om de diepte van de beeldvorming te verbeteren.

De flexibiliteit van LED-gebaseerde systemen wordt verder versterkt door hun vermogen om op verschillende golflengten te werken, wat het mogelijk maakt om specifieke moleculaire markeringen of fysiologische veranderingen in weefsels te detecteren. Dit opent de deur naar moleculaire beeldvorming, die kan helpen bij het vroegtijdig opsporen van ziekten zoals kanker of hersentumoren, zelfs wanneer de tumoren nog in een zeer vroeg stadium van ontwikkeling zijn.

Bijvoorbeeld, studies hebben aangetoond dat fotoakoestische beeldvorming kan helpen bij het visualiseren van intraoculaire tumoren zoals retinoblastomen of uveaal melanoom. Deze vooruitgang kan artsen in staat stellen om kankers op een niet-invasieve manier te detecteren, wat de noodzaak van chirurgische ingrepen vermindert en de prognose voor de patiënt aanzienlijk verbetert.

Deze technologie is ook nuttig in de context van klinische interventies. LED-gebaseerde fotoakoestische systemen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om naalden of andere medische instrumenten te visualiseren tijdens minimaal invasieve procedures, zoals biopsieën of chirurgische ingrepen. Dit kan de nauwkeurigheid van de procedure verhogen en het risico op complicaties verminderen door het mogelijk te maken de positie van de instrumenten in real-time te volgen.

Het gebruik van LED-gebaseerde systemen in de fotoakoestische beeldvorming markeert een belangrijke stap vooruit in de richting van het toegankelijker maken van geavanceerde medische beeldvormingstechnieken. De eenvoud van de technologie, gecombineerd met de kostenbesparende voordelen van LED's, biedt een veelbelovende toekomst voor de toepassing van fotoakoestische beeldvorming in de klinische praktijk. Vooral op het gebied van vroege ziekte-diagnose, het monitoren van behandelingsresultaten en het verbeteren van de chirurgische nauwkeurigheid, heeft deze technologie de potentie om een aanzienlijke impact te maken.

Naast de technologische vooruitgangen is het belangrijk te realiseren dat de implementatie van dergelijke systemen gepaard gaat met diverse uitdagingen. De integratie van LED-gebaseerde fotoakoestische systemen in de klinische praktijk vereist training van het personeel, aanpassing van bestaande medische infrastructuren en, in sommige gevallen, de ontwikkeling van nieuwe protocollen voor beeldverwerking en interpretatie. Bovendien moeten zorgverleners zich bewust zijn van de beperkingen van de technologie, zoals de diepte van penetratie van het licht en de resolutie van de beelden bij bepaalde toepassingen.

Hoe beïnvloeden padverlies en moleculaire absorptie de communicatie in het terahertz-bereik?
Hoe Reacties op de Dood van George Floyd de Politieke Verhoudingen in de VS Verscherpten
Hoe betrouwbare en tijdige budgettering cruciaal is voor bedrijfsstrategie en besluitvorming
Wat maakt iemand anders dan normaal?