Fotoakoestische (PA) beeldvorming heeft zich ontwikkeld tot een van de meest veelbelovende modaliteiten binnen de biomedische beeldvorming, dankzij de unieke mogelijkheid om gelijktijdig structurele, functionele en moleculaire informatie te leveren. Deze hybride techniek combineert optische contrastmechanismen met akoestische detectie, waardoor een dieper doordringen in weefsels mogelijk wordt dan bij conventionele optische methoden, die snel aan effectiviteit verliezen door lichtverstrooiing. Bij PA-beeldvorming wordt weefsel belicht met korte lichtpulsen, waarop specifieke chromoforen in het weefsel licht absorberen en daardoor een lokale temperatuursverhoging veroorzaken. Deze temperatuurstijging leidt tot thermo-elastische expansie, die ultrasone golven genereert. Deze golven worden aan het huidoppervlak opgevangen en geanalyseerd om een kaart van optische absorptie met hoge ruimtelijke resolutie te creëren.

Traditioneel maken PA-systemen gebruik van dure en omvangrijke klasse IV-lasers als lichtbron, wat de brede klinische toepassing beperkt. De introductie van lichtemitterende diodes (LED’s) biedt een revolutionaire stap in de klinische vertaling van deze techniek. LED’s zijn draagbaar, energiezuinig en betaalbaar, en dankzij technologische vooruitgang kunnen ze nu krachtige pulsen leveren die nodig zijn voor PA-beeldvorming. De ontwikkeling van high-power LED-arrays heeft het mogelijk gemaakt om betrouwbare, compacte en relatief goedkope systemen te bouwen die geschikt zijn voor zowel preklinisch onderzoek als klinische toepassingen.

De overgang van puntlichtbronnen naar geavanceerde LED-arrays markeert een belangrijke mijlpaal in de evolutie van PA-beeldvorming. Dit heeft niet alleen geleid tot verbetering van het signaal-ruisverhouding, maar ook tot het verminderen van artefacten die het beeld kunnen verstoren. Daarnaast heeft de integratie van LED-gebaseerde systemen met echografie een multimodale aanpak mogelijk gemaakt, waarbij structurele en functionele informatie in één sessie wordt verkregen. Deze combinatie ondersteunt de diagnostiek en theranostiek, met toepassingen variërend van tumordetectie tot vasculaire beeldvorming en het monitoren van therapeutische respons.

Talrijke studies tonen het grote potentieel aan van LED-PA-systemen. Fantoomexperimenten demonstreren het vermogen tot nauwkeurige weefselkarakterisering, terwijl ex vivo en in vivo dierstudies de biologische relevantie bevestigen. Klinische pilotstudies bevestigen dat LED-PA-beeldvorming niet alleen technisch haalbaar is, maar ook patiëntvriendelijk en efficiënt kan worden toegepast. De brede toepasbaarheid en relatief lage kosten van LED-technologie openen de deur voor een bredere verspreiding van PA-beeldvorming in diverse klinische omgevingen, ook buiten gespecialiseerde onderzoekscentra.

Het is essentieel om te beseffen dat het succes van LED-PA-beeldvorming niet uitsluitend berust op hardwareverbeteringen. Even belangrijk is de ontwikkeling van geavanceerde signaalverwerkings- en beeldreconstructiemethoden, waaronder wavelet-denoising en singular value decomposition (SVD). Deze technieken verminderen laser- en omgevingsruis, wat cruciaal is bij het gebruik van lichtbronnen met relatief lage energie. Bovendien speelt kunstmatige intelligentie, met name deep learning, een steeds grotere rol in het verbeteren van beeldkwaliteit en het automatisch herkennen van artefacten en belangrijke structuren.

Voor een volledig begrip van de mogelijkheden en beperkingen van LED-gebaseerde PA-beeldvorming is inzicht in de fysische principes van licht-materiaalinteracties en akoestische signaaltransductie onontbeerlijk. Begrip van de weefseloptica, lichtabsorptie en thermische respons helpt bij het optimaliseren van belichtingsparameters en signaalinterpretatie. Daarnaast moeten klinische gebruikers zich bewust zijn van factoren zoals penetratiediepte, resolutiebeperkingen en mogelijke interferentie door weefselreflecties en artefacten, die de nauwkeurigheid kunnen beïnvloeden.

Hoe kan fotoakoestische golffrontvorming de lichtfocus verbeteren door diffuuse media?

In de afgelopen jaren zijn er verschillende vooruitgangen geboekt op het gebied van fotoakoestische golffrontvorming, een technologie die het mogelijk maakt om licht door diffuuse media, zoals weefsel, te richten met behulp van ultrasone feedback. De technologie heeft zich bewezen in diverse toepassingen, van microscopische beeldvorming tot het verbeteren van in vivo behandelingen. De belangrijkste uitdaging blijft echter het verbeteren van de snelheid en nauwkeurigheid van de lichtfocussatie in dynamische omstandigheden, zoals bij levend weefsel, waar de speckle-decorrelatietijd snel kan zijn.

De fundamenten van fotoakoestische golffrontvorming liggen in het gebruik van ultrasone golven om het gedrag van licht in diffuuse media te sturen. Door de interactie van licht met een absorberende laag, die vervolgens een fotoakoestische respons genereert, kan de lichttransmissie door de media worden geanalyseerd. In plaats van het traditionele gebruik van beeldvorming met lasers, waarbij de intensiteit van het licht gemeten wordt, maakt fotoakoestische golffrontvorming gebruik van de gemeten ultrasone signalen om de lichtmodulatie aan te sturen. Het proces van golffrontvorming zelf kan worden geoptimaliseerd met behulp van complexe algoritmen, zoals genetische algoritmen, die in staat zijn om het licht in een zeer kleine focus te richten.

In 2015 ontwikkelde Conkey et al. een methode om licht te focussen in een zeer klein gebied, met een diameter van ongeveer 13 μm, door gebruik te maken van de Gaussiaanse ruimtelijke gevoeligheid van het ultrasone gebied. Deze aanpak zorgde ervoor dat het licht voornamelijk gefocust werd rond het centrum van de akoestische focus, wat de intensiteit van het licht met 24 keer verhoogde. Dergelijke ontwikkelingen zijn baanbrekend voor het verbeteren van de resolutie van fotoakoestische beeldvorming, wat een belangrijke stap voorwaarts is voor het verkrijgen van gedetailleerde beelden in situaties waarin diffuus licht een uitdaging vormt.

In dezelfde periode rapporteerden Lai et al. een techniek waarbij ze fotoakoestische feedback gebruikten om een diffractielimiet te bereiken, wat resulteerde in een intensiteitsversterking van maar liefst 6000 keer. Door twee opeenvolgende pulsen te gebruiken in plaats van één enkele, werd een niet-lineaire fotonverspreiding gecreëerd die het mogelijk maakte om licht te focussen op een gebied van slechts 5-7 μm in diameter. Dit werd bereikt met behulp van een genetisch algoritme dat 1600 iteraties vereiste, waardoor de technologie bijzonder tijdrovend was voor in vivo-toepassingen.

Hoewel deze methoden effectiviteit hebben bewezen, hebben ze een aanzienlijke beperking: de snelheid. De gebruikte iteratieve algoritmen kunnen uren duren, wat hen ongeschikt maakt voor experimenten waarin snelle fysiologische bewegingen van levend weefsel een rol spelen. Het contrast tussen de tijd die nodig is om de golffronten te vormen en de snelheid van speckle-decorrelatie in weefsels creëert een fundamenteel probleem voor in vivo-toepassingen. Een mogelijke oplossing voor dit probleem is het gebruik van transmissiematrices (TM), waarmee de benodigde input-outputpaarwaarnemingen met een snelheidsverhoging kunnen worden vergeleken.

De transmissiematrixbenadering maakt het mogelijk om de lichttransport door diffuuse media te karakteriseren met behulp van relatief weinig metingen. Dit werd verder geoptimaliseerd in 2013 door Chaigne et al., die de mogelijkheid onderzochten om licht te focussen door middel van een fotoakoestische transmissiematrix (TM), die de lichtintensiteit en de fotoakoestische respons met een faseverschuivingsalgoritme combineerde. Hierdoor kon de lichtstraal sneller en met grotere nauwkeurigheid door het medium worden geleid. Dit proces werd verder geoptimaliseerd in 2021 met behulp van een Digital Micromirror Device (DMD), waarmee de snelheid van de karakterisatie aanzienlijk werd verhoogd tot 47 kHz. Dit gaf een aanzienlijke vermindering van de benodigde tijd voor het bereiken van lichtfocussen, waardoor de methodologie geschikt werd voor toepassingen die snelle fysiologische bewegingen vereisen, zoals bij levende dieren.

Naast de verbeteringen in snelheid, is er ook steeds meer aandacht voor de kwaliteit van de fotoakoestische signalen die nodig zijn voor nauwkeurige golffrontvorming. Met de steeds kleinere focussage van licht in diffuuse media wordt het steeds duidelijker dat de variatie in de fotoakoestische respons een cruciale rol speelt. Experimenten zoals die van Inzunza-Ibarra et al. in 2020, waarbij de standaarddeviatie van de fotoakoestische signalen werd gemeten over meerdere metingen, tonen aan dat het vergroten van deze standaarddeviatie kan leiden tot een meer gerichte en nauwkeurige lichtfocussen. Dergelijke technieken hebben het potentieel om de nauwkeurigheid van fotoakoestische beeldvorming aanzienlijk te verbeteren.

De vooruitgang in deze technologieën belooft op termijn aanzienlijke voordelen voor medische beeldvorming en behandelingen. De mogelijkheid om licht nauwkeurig door diffuuse media te richten, bijvoorbeeld voor het gericht leveren van therapieën of het verbeteren van beeldvorming van dieper gelegen weefsels, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de geneeskunde en biologie.

Hoe worden CSNP-PDMS en quantumdotcomposieten toegepast in optische vezel-opto-ultrasone transducers voor geavanceerde medische beeldvorming?

De ontwikkeling van CSNP-PDMS-composieten voor toepassing op miniaturiseerde substraten zoals optische vezeluiteinden vertegenwoordigt een cruciale stap in het verbeteren van optisch gegenereerde ultrasone (OpUS) systemen. Een vroege benadering, geïntroduceerd door Jiang et al., bestond uit het coaten van een optische vezel met een diameter van 600 μm door deze enkele centimeters boven een kaarsvlam te houden, waarna een laag PDMS via dip-coating werd aangebracht om zo een bilayerfilm te vormen. Dit nanocomposiet bleek in staat ultrasone drukken tot 750 kPa te genereren op 7,5 mm afstand bij bestraling met een 532-nm laserpuls van 6 ns met een energie van 1 mJ per puls. Hoewel deze methode veelbelovend was, bleef de behoefte bestaan aan meer geoptimaliseerde fabricage- en prestatiemethoden om diepere penetraties en hogere ruimtelijke resoluties in weefselbeeldvorming te bereiken.

Bodian et al. reageerden hierop met een vergelijking van twee reproduceerbare en efficiënte fabricagetechnieken: de 'all-in-one' (AiO) methode en de 'Direct Deposition' (DD) methode, voortbouwend op Jiang’s werk. De AiO-methode mengde CSNP’s rechtstreeks met PDMS waarna een dunne coating van ongeveer 55 μm werd aangebracht op een 200-μm optische vezel via dip-coating, wat resulteerde in een geïntegreerde nanocomposietlaag. De DD-methode hield het vezeluiteinde kort boven een kaarsvlam om CSNP’s te deponeren, gevolgd door een PDMS overcoat, wat een bilayerstructuur van ongeveer 52 μm dik creëerde. Beide composieten vertoonden een glad, zwart koepelvormig oppervlak met brede optische absorptie (>98% tussen 500 en 1400 nm), evenals hoge piek-tot-piek ultrasone drukken (>3 MPa) en brede bandbreedtes (>29 MHz). Dit stelde ze in staat met een hoge resolutie (<40 μm axiale resolutie) B-mode ultrasone beelden te maken van een draadphantoom en ex vivo lamhersenen met penetratiediepten boven 8 mm. Deze resultaten onderstrepen het potentieel van CSNP-PDMS OpUS transmitters voor niet-invasieve, hoog-fideliteitsbeeldvorming van biologische weefsels, met specifieke implicaties voor neurochirurgische toepassingen waar real-time structurele informatie essentieel is.

Parallel aan CSNP-composieten zijn quantumdots (QDs) geïntroduceerd als innovatieve optische absorbers in OpUS-systemen. Quantumdots, nanostructuren met aanpasbare elektronische eigenschappen door variaties in samenstelling en grootte, zijn bekend om hun veelzijdigheid in opto-elektronische toepassingen. Voor medische doeleinden zijn QDs zonder zware metalen, zoals CuInS2 (CIS), van bijzonder belang vanwege hun lagere toxiciteitsrisico. Bodian et al. realiseerden het eerste QD-PDMS composiet op een optische vezel door een bilayer coating aan te brengen bestaande uit een CIS QD-laag gevolgd door een PDMS overcoat. Dit composiet vertoonde hoge optische absorptie (>90%) bij de 532 nm Nd:YAG laser voor OpUS-generatie, gecombineerd met lage absorptie (<5%) in het nabij-infrarode spectrum boven 700 nm, wat simultane fotoakoestische beeldvorming mogelijk maakt.

Bij pulsed excitatie leverde het CIS-PDMS composiet ultrasone drukken tot 3,7 MPa en een bandbreedte van 18 MHz op 1,5 mm afstand. Gecombineerd met een fiber-optische Fabry-Pérot (FP) hydrofoon, kon het systeem co-geregistreerde ultrasone en fotoakoestische beelden produceren van een gel-was phantom met daarin polymethylpententubes gevuld met verschillende concentraties koolstofzwartoplossingen. De samengestelde beelden toonden duidelijk de contouren van de tubes en de interne contrastverschillen, waardoor de meerwaarde van dual-modale beeldvorming werd gedemonstreerd.

De mogelijkheid om door het selectief afstemmen van de optische absorptie-eigenschappen verschillende beeldvormingsmodaliteiten te combineren maakt quantumdot-PDMS composieten tot een veelbelovend platform voor toekomstige all-optical ultrasone systemen. Het onderzoek naar veilige, zware-metaalvrije QD soorten zal naar verwachting de toepassing van deze technologieën verder verbreden, waarbij ze steeds beter afgestemd kunnen worden op specifieke therapeutische en diagnostische vereisten.

Naast het technische vermogen van deze nanocomposieten en fabricagemethoden, is het essentieel te begrijpen dat hun succes afhankelijk is van een delicaat samenspel tussen optische absorptie, thermische omzetting en mechanische eigenschappen van de elastomeercomposieten. De keuze van materialen en coatingtechniek bepaalt niet alleen de efficiëntie van ultrasoon-golfgeneratie, maar ook de mate van weefselpenetratie en beeldresolutie. Bovendien is de integratie van deze nanocomposieten op miniaturiseerde substraten cruciaal voor toepassing in minimaal invasieve chirurgische instrumenten, waarbij ruimte en flexibiliteit strikte randvoorwaarden zijn.

Daarom moet de lezer beseffen dat verdere vooruitgang in deze technologie niet alleen ligt in het verbeteren van de materiaaleigenschappen, maar ook in de verfijning van fabricageprocessen, het minimaliseren van toxicologische risico’s en het optimaal afstemmen van optische en ultrasone parameters om klinisch relevante beelden met hoge resolutie en diepte te realiseren. De convergentie van nanotechnologie, optica en medische beeldvorming opent zo nieuwe wegen voor veilige, effectieve en multifunctionele diagnostische hulpmiddelen die de toekomst van minimaal invasieve geneeskunde zullen vormen.

Hoe ethische overwegingen de benchmarking van robotica beïnvloeden
Hoe Kunstmatige Intelligentie de Precisielandbouw en Duurzame Landbouw Hervormt
Hoe de Simulacrum de Waarheid Vervangt en de Psychologie van Manipulatie Vormgeeft
Welke wetten en regels vormen het kader voor risicomanagement en cybersecurity in financiële instellingen?