Wat zijn de voordelen van hybride optoacoustic imaging in medische beeldvorming?

Optoacoustic (OA) beeldvorming, ook wel fotoakoestische beeldvorming genoemd, is een veelbelovende technologie die optische excitaties combineert met ultrasone detectie. Dit stelt de techniek in staat om rijke optische contrasten van levende weefsels te verkrijgen met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie. De opkomst van OA-beeldvorming heeft de interesse gewekt van de medische en biomedische wetenschappelijke gemeenschap vanwege de unieke hybride eigenschappen die het mogelijk maken om de biodistributie van zowel endogene chromoforen als exogene optische absorbeerders, zoals nanodeeltjes, organische kleurstoffen of fluorescerende eiwitten, met hoge gevoeligheid te visualiseren. Vergeleken met optische microscopietechnieken heeft OA het voordeel van grotere doordringdiepte in levende weefsels, omdat het gebruik maakt van de lage verstrooiing van ultrasone golven. Dit maakt het mogelijk om de beperkingen van optische diffusie te overwinnen en beelden te verkrijgen van weefsels die tot enkele centimeters diep liggen.

De veelzijdigheid van OA-systemen is al aangetoond in label-vrije anatomische, functionele en moleculaire beeldvorming, met behulp van exogene contrastmiddelen. Dit biedt de mogelijkheid om gedetailleerde en dynamische beelden van biologische processen te verkrijgen. Ondanks de krachtige technische capaciteiten heeft OA echter verschillende beperkingen, waaronder de diepte van penetratie, onvermijdelijke afwegingen tussen penetratie en ruimtelijke resolutie, evenals beperkte gevoeligheid en specificiteit. Bovendien is de contrastvorming bij OA voornamelijk afhankelijk van optische absorptie, waardoor het gevoelig is voor andere contrastmechanismen zoals verstrooiing, fluorescentie, akoestische en magnetische eigenschappen van weefsel.

De combinatie van OA en echografie (US) is bijzonder effectief vanwege de gedeelde voordelen van beide technieken. Zo maakt echografie het mogelijk om de anatomie van structuren eenvoudig te lokaliseren en te navigeren, terwijl OA extra functionele informatie kan bieden. Dit vergroot de klinische toepasbaarheid van deze gecombineerde techniek aanzienlijk. Bovendien kan echografie de nauwkeurigheid van OA-tomografie verbeteren door aanvullende akoestische weefselkenmerken, zoals de snelheid van geluid (SoS) en akoestische demping (AA), te bieden, die belangrijk kunnen zijn voor het verbeteren van de kwaliteit van de tomografische reconstructies.

Een andere belangrijke combinatie is die tussen reflectie-mode US en OA-beeldvorming. Hiervoor worden vaak lineaire arrays en concave arrays gebruikt, die in combinatie met brede bundels verlichting via een optische vezel of spiegels, naast de transducer array, kunnen worden geplaatst. Deze hybride aanpak heeft al goede resultaten opgeleverd, waarbij de gecombineerde beeldvorming uit beide modaliteiten tegelijk kan worden weergegeven, waardoor weefsels gedetailleerder kunnen worden geanalyseerd.

Bovendien heeft de toepassing van echografie in hybride systemen niet alleen betrekking op beeldvorming, maar ook op het corrigeren van beweging en het corrigeren van lichtfluïditeit in OA-US-beeldvorming. Deze corrigerende technieken zijn van groot belang bij het verbeteren van de nauwkeurigheid van hybride systemen. Reflectie-mode US maakt gebruik van een array-transducer met een klein inter-element pitch om de beeldkwaliteit te waarborgen, terwijl OA de voorkeur geeft aan een grotere elementgrootte voor een hogere gevoeligheid bij het detecteren van zwakke signalen.

Een andere veelbelovende benadering is het gebruik van transmissie-mode US voor hybride beeldvorming. Dit kan waardevolle informatie opleveren over de akoestische eigenschappen van weefsels die in OA-beelden niet zichtbaar zijn. Het gebruik van transmissiemode biedt een extra laag van nauwkeurigheid in de beeldvorming, door bijvoorbeeld informatie te verkrijgen over de weefsels op een dieper niveau, zoals de snelheid van geluid in de weefsels en de akoestische demping.

Wat zijn de uitdagingen en mogelijkheden van miniaturisatie in medische hersenbeeldvorming?

De miniaturisatie van medische beeldvormingstechnologieën is een van de belangrijkste ontwikkelingen in de neurowetenschappen en medische diagnostiek. Bij het bestuderen van hersenactiviteit zijn er verschillende technieken, zoals multiphoton-fluorescentiemicroscopie, fMRI, en MEG, die allemaal hun eigen sterke punten, beperkingen en technische uitdagingen hebben. Het doel van miniaturisatie is echter tweeledig: ten eerste, de verbetering van de resolutie van beelden, het gezichtsveld (FOV) en de signaal-ruisverhouding (SNR), zonder dat de fysieke omvang van de apparaten toeneemt; ten tweede, het verbeteren van de verwerkingscapaciteit van real-time gegevens en het verhogen van de beeldvorming doorvoersnelheid.

De integratie van verschillende beeldvormingstechnieken wordt steeds belangrijker, vooral in de context van multimodale beeldvorming, waarbij meerdere technieken worden gecombineerd om de zwakheden van één enkele techniek te compenseren. Zo worden fMRI, EEG, NIRS, en MEG steeds vaker gecombineerd om de beperkingen van elke methode te overwinnen en completere beelden van hersenactiviteit te verkrijgen. Multimodale benaderingen worden bijvoorbeeld gebruikt in onderzoek naar slaap, epilepsie en neurale decodering. Er zijn echter nog steeds aanzienlijke uitdagingen in de manier waarop de data van verschillende technieken worden gecombineerd. Veel van de huidige systemen baseren zich nog steeds op eenvoudige lineaire combinaties van gegevens, wat niet het volledige potentieel van geïntegreerde gegevens benut.

Om de voordelen van multimodale beeldvormingstechnologieën in compacte apparaten volledig te benutten, moeten er robuuste informatiekoppelingen tussen verschillende modaliteiten worden gecreëerd. Er moeten ook compenserende strategieën worden ontwikkeld voor de reducties in ruimtelijke en temporele resolutie, gevoeligheid en gezichtsveld die vaak optreden bij de miniaturisatie van apparaten. Dit vereist diepgaand onderzoek en innovatieve denkwijzen om de volledige potentie van miniaturisatie in medische hersenbeeldvorming te ontsluiten.

In de toekomst zal de voortdurende ontwikkeling van technologieën zoals OPM-MEG, de integratie van multimodale beeldvorming, en de verbetering van signaalverwerkingscapaciteiten waarschijnlijk leiden tot doorbraken in de neurowetenschappen en de medische beeldvorming. De uitdagingen die gepaard gaan met de miniaturisatie van medische beeldvorming zullen niet alleen technische, maar ook praktische, klinische en ethische implicaties hebben. Het is belangrijk om verder onderzoek te doen naar de mogelijkheden van kleine, niet-invasieve systemen die ons in staat stellen de hersenen op nieuwe manieren te bestuderen, terwijl we tegelijkertijd de technische obstakels overwinnen die de effectiviteit van deze systemen in de praktijk beperken.

Hoe kan photoakoestische beeldvorming de visualisatie van minimaal invasieve medische instrumenten verbeteren en welke uitdagingen blijven bestaan?

Een veelvoorkomend artefact bij PA-beelden van brachytherapie (BT) zaden die met interstitiële excitatie worden afgebeeld, ontstaat door akoestische reflecties. Sterke PA-signalen afkomstig van de vezel- of naaldtip worden gereflecteerd door de zaden, wat leidt tot reflectieartefacten onder de zaden. Om deze artefacten te identificeren en te verwijderen, stelde Singh et al. (2016) de PA-gecontroleerde gefocusseerde echografie (PAFUSion) voor. Hierbij wordt eerst de echografie gericht op de vezel- of naaldtip om een beeld te verkrijgen dat alleen reflecties op dieper gelegen dieptes toont. Dit beeld wordt vervolgens geschaald en afgetrokken van het overeenkomstige PA-beeld om een artefactvrij resultaat te verkrijgen. Validaties met weefsel-simulerende fantomen en varkensweefsel ex vivo bevestigden het succes van PAFUSion in het verwijderen van reflecties zonder verlies van SNR in de zaadsignalen.

DL-methoden werden ook toegepast op de identificatie van PA-puntbronnen, waarbij encoder-decoder CNN’s werden getraind met gesimuleerde PA-golfvormen onder verschillende optische en ruimtelijke condities. Hoewel deze benaderingen indrukwekkende lokalisatiefouten van ongeveer 1 mm bereikten, ontbreken nog evaluaties met klinisch relevante, echte PA-gegevens. Deze gegevens kunnen onder meer worden verkregen door het afbeelden van microvaten, metalen naalden en BT-zaden in ex vivo of in vivo weefsels.

PA-beeldvorming vormt een veelbelovende modality voor de visualisatie van interventionele instrumenten in minimaal invasieve procedures. Het combineert optische absorptie met ultrasonische detectie, waardoor het unieke voordelen biedt zoals hoge optische contrasten, ultrasonische resolutie en diepe penetratie. Metalen instrumenten, vanwege hun relatief hoge optische absorptie in het zichtbare en nabij-infrarode spectrum, kunnen hiermee beter worden afgebeeld dan met conventionele echografie alleen. Hoewel preklinisch onderzoek positieve resultaten laat zien, zijn er nog belangrijke uitdagingen voor klinische toepassing.

De beeldkwaliteit kan worden verbeterd, aangezien PA-beelden vaak worden beïnvloed door artefacten zoals akoestische reverberaties, aberraties en out-of-plane artefacten, veroorzaakt door het beperkte gezichtsveld van lineaire US-transducers. Geavanceerde beamforming technieken zoals SLSC tonen potentieel in het verbeteren van beelden onder lage lichtfluentie. Deep learning versterkt deze verbetering, vooral bij nabewerking van beelden.

De beperkte penetratiediepte van licht in weefsel (meestal minder dan 2 cm) beperkt echter de visualisatie van dieper gelegen naaldpunten. Om dit te omzeilen, kan PA-excitatie licht via een optische vezel in de naadlumens worden geleid om de naaldtip te accentueren. Dit genereert PA-signalen bij de tip door optische absorptie van omliggende weefsels of coatingmaterialen. Deze signalen kunnen echter worden beïnvloed door akoestische verstoringen en weefselbewegingen, wat de nauwkeurigheid van de tipregistratie vermindert.

Daarnaast wordt er onderzoek gedaan naar naaldcoatings met nanocomposieten die sterke optische absorptie en thermische uitzetting vertonen, wat de zichtbaarheid in sterk verstrooiend weefsel kan verbeteren. Toch moeten mechanische stabiliteit en bioveiligheid van deze coatings nog grondig worden onderzocht in dier- en humane modellen om regulatoire goedkeuringen te verkrijgen.

Commerciële PA/US-systemen integreren vaak omvangrijke lichtbronnen zoals solide-staat lasers die gespecialiseerde veiligheidsvoorzieningen in de operatiekamer vereisen, waaronder risicobeoordeling, vergrendelingsmechanismen en oogbescherming voor personeel en patiënt. Lichtgevende diodes (LED's) bieden een aantrekkelijk alternatief vanwege lagere kosten en verminderde laserveiligheidsrisico’s. De training van operators is cruciaal en dient zich te richten op het interpreteren van PA-beelden met behulp van gestandaardiseerde fantomen.

Hoe tissue-mimicking phantomen de nauwkeurigheid van fotoakoestische beeldvorming verbeteren

De ontwikkeling van effectieve en betrouwbare medische beeldvormingstechnieken is essentieel voor de vooruitgang in de geneeskunde. Fotoakoestische beeldvorming (PAI) is een krachtige technologie die optische en akoestische signalen combineert om gedetailleerde beelden van weefsels te creëren. Dit maakt het mogelijk om diepere weefsels te visualiseren zonder gebruik te maken van schadelijke straling. Een cruciaal aspect van de ontwikkeling en evaluatie van PAI-systemen is het gebruik van weefsel-mimiceren phantomen. Deze phantomen, die synthetische materialen nabootsen die qua akoestische en optische eigenschappen vergelijkbaar zijn met die van biologische weefsels, worden gebruikt voor kalibratie en validatie van beeldvormingssystemen.

Weefsel-mimiceren phantomen spelen een sleutelrol bij het verbeteren van de beeldkwaliteit en nauwkeurigheid van fotoakoestische technieken. Deze phantomen zijn ontworpen om de specifieke optische en akoestische eigenschappen van menselijke weefsels te simuleren, zoals dichtheid, elastische eigenschappen, en lichtabsorptie. Dit stelt onderzoekers in staat om de prestaties van beeldvormingssystemen onder gecontroleerde omstandigheden te testen en te verfijnen. Er zijn verschillende soorten phantomen die zijn ontwikkeld, elk met specifieke toepassingen en voordelen.

Polymeer-gebaseerde phantomen, zoals die van polyvinylalcohol (PVA) en polyacrylamide, zijn populaire keuzes voor het simuleren van menselijke weefsels. Deze phantomen kunnen nauwkeurig de optische absorptie en diffusie van licht nabootsen, waardoor ze uiterst geschikt zijn voor fotoakoestische beeldvorming. Het gebruik van zulke phantomen in preklinische en klinische instellingen helpt bij het verbeteren van de precisie van diagnostische tests, het kalibreren van apparatuur, en het testen van nieuwe beeldvormingstechnieken.

Daarnaast zijn er hybriden van organosiliconen en polyolen ontwikkeld, die een breder scala aan optische en akoestische eigenschappen bieden voor verschillende toepassingen. Deze materialen worden vooral gebruikt wanneer er een hogere mate van stabiliteit en reproduceerbaarheid vereist is, zoals bij langdurige experimenten of wanneer de phantomen herhaaldelijk moeten worden gebruikt. Organosiliconen bieden extra voordelen in termen van mechanische stabiliteit en weerstand tegen de degradatie die kan optreden bij herhaald gebruik, wat essentieel is voor langdurige beeldvormingsonderzoeken.

Naast de materiaalsamenstelling is de geometrie van de phantomen ook een belangrijke factor. Bij de ontwikkeling van realistische, anatomisch correcte phantomen wordt vaak gebruikgemaakt van geavanceerde 3D-printtechnologieën, die zorgen voor een nauwkeurige weergave van complexe organen en weefsels. Deze phantomen worden gebruikt om de effectiviteit van multispectrale fotoakoestische beeldvorming te testen, waarbij meerdere golflengten licht worden gebruikt om gedetailleerdere informatie over de weefselstructuren te verkrijgen.

De stabiliteit van de phantomen is eveneens cruciaal voor hun toepassing in klinische settings. Veranderingen in temperatuur, vochtigheid of andere omgevingsfactoren kunnen de prestaties van de phantomen beïnvloeden, wat de nauwkeurigheid van de beeldvorming ondermijnt. Daarom wordt er veel nadruk gelegd op het ontwikkelen van phantomen die niet alleen de optische en akoestische eigenschappen van biologische weefsels nabootsen, maar ook bestand zijn tegen de variabiliteit van de omstandigheden in een laboratoriumomgeving.

De afstemming van optische en akoestische eigenschappen in fotoakoestische phantomen is een complex proces. Er is een voortdurende inspanning nodig om phantomen te ontwikkelen die de absorptie- en verstrooiingskenmerken van verschillende weefsels nauwkeurig nabootsen, zoals hersenweefsel, lever, of borstkankercellen. De ontwikkeling van dergelijke phantomen is essentieel voor het verbeteren van de diagnostische nauwkeurigheid van fotoakoestische beeldvorming, vooral voor toepassingen zoals vroege kankerdiagnose, waar gedetailleerde beelden van tumoren essentieel zijn.

Een ander belangrijk aspect van het gebruik van phantomen in medische beeldvorming is het testen van de systeemrespons en kalibratie van de apparatuur. Verschillende onderzoeksgroepen hebben phantomen ontwikkeld die specifiek zijn ontworpen om de optische en akoestische reacties van beeldvormingssystemen te testen. Dit zorgt voor een gestandaardiseerde en reproduceerbare benadering van het testen en afstemmen van apparatuur, wat van essentieel belang is voor de implementatie van fotoakoestische beeldvorming in klinische toepassingen.

Bij de evaluatie van deze phantomen worden vaak gestandaardiseerde tests uitgevoerd om de effectiviteit en de nauwkeurigheid van fotoakoestische systemen te waarborgen. Dit omvat tests op beeldresolutie, signaal-ruisverhouding, en kalibratie van de optische en akoestische eigenschappen van het systeem. De resultaten van deze tests geven waardevolle informatie over hoe goed een systeem presteert in verschillende scenario’s en helpen bij het identificeren van gebieden waar verbetering nodig is.

De impact van deze ontwikkelingen op de medische beeldvorming kan niet worden onderschat. Fotoakoestische beeldvorming biedt de mogelijkheid om diepere weefsels zichtbaar te maken dan traditionele echografie en MRI, en doet dit zonder de schadelijke effecten van röntgenstraling. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het vroegtijdig opsporen van ziekten, zoals kanker, waarbij vroege detectie van vitaal belang is voor de behandeling en prognose van patiënten.

Naast de technische verbeteringen die door phantomen worden gerealiseerd, blijft het belangrijk om te begrijpen dat de implementatie van fotoakoestische beeldvorming in de kliniek meer vereist dan alleen betrouwbare phantomen. Het succes van deze technologie is afhankelijk van verschillende factoren, zoals de opleiding van medische professionals, de integratie met andere beeldvormingstechnieken en de beschikbaarheid van geavanceerde software voor het verwerken van de complexe gegevens die worden verzameld.

Wat maakt de keuze van nanomaterialen belangrijk voor de opwekking van ultrasone golven via opto-akoestische methoden?

In de afgelopen jaren is er een groeiende belangstelling voor het gebruik van nanomaterialen in opto-akoestische systemen (OpUS), waarbij ultrasone golven worden gegenereerd door middel van lichtabsorptie. De keuze van het juiste nanomateriaal is cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties van dergelijke systemen, die een breed scala aan toepassingen bestrijken, van medische beeldvorming tot industriële toepassingen.

De manier waarop deze nanomaterialen worden verwerkt, speelt ook een belangrijke rol. Bijvoorbeeld, CNFs, die in wezen bestaan uit gestapelde kegels van grafieenlagen in plaats van de cilindrische structuur van MWCNTs, kunnen gemakkelijker worden geproduceerd en zijn kosteneffectiever. Electrospinning, een veelgebruikte techniek voor het verwerken van CNFs, maakt het mogelijk om dunne lagen van deze vezels op oppervlakken aan te brengen. Dit proces is echter niet eenvoudig en vereist een zorgvuldige afstemming van de procesomstandigheden. Wanneer CNF-PDMS composieten werden geproduceerd door deze methode, konden ultrasone drukken van 12,15 MPa worden behaald bij een frequentie van 7,63 MHz, wat resulteerde in een van de hoogste gemeten waarden voor een niet-gefocust OpUS-transmitter.

Naast deze materialen hebben andere nanomaterialen zoals grafiet en verlaagd grafeenoxide (rGO) ook aandacht gekregen. Grafiet heeft brede optische absorptiebanden en is bijzonder resistent tegen extreme temperaturen en drukken. Echter, de beperkte thermische geleidbaarheid van grafiet heeft geleid tot de voorkeur voor rGO, dat betere thermische geleidbaarheid, een groter oppervlak en verbeterde mechanische stevigheid biedt. Het combineren van rGO met een dunne aluminiumlaag heeft ook interessante resultaten opgeleverd, met piek-ultrasone drukken van 7,5 MPa bij een golflengte van 532 nm.

Het is belangrijk om te begrijpen dat de keuze van het nanomateriaal de algemene efficiëntie en de kenmerken van de gegenereerde ultrasone golven kan beïnvloeden. De structuur van het materiaal, de manier waarop het wordt verwerkt en de opto-akoestische eigenschappen zoals optische absorptie en thermische geleidbaarheid zijn allemaal belangrijke factoren die moeten worden geoptimaliseerd voor de gewenste toepassing. Ook is het essentieel om rekening te houden met de werkelijke uitvoeringsomstandigheden, zoals de dikte van het composiet, de intensiteit van de laserpuls en de afstand van de meetapparatuur, aangezien deze factoren de uiteindelijke ultrasone druk en frequentie kunnen beïnvloeden.