Równania fali rozprzestrzeniającej się w porowatych mediach nasyconych cieczą, uwzględniające straty tłumienia, prowadzą do kompleksowego opisu prędkości fal podłużnych. W analizowanym przypadku, przy uwzględnieniu parametrów takich jak H = P + R + 2Q, oraz relacji PR − Q² = L, oraz ρ11R + ρ22P − 2ρ12Q = M, prędkość dźwięku może zostać opisana jako liczba zespolona, co wynika z obecności tłumienia lepkiego w ośrodkach porowatych wypełnionych cieczą.

Podstawowym warunkiem istnienia rozwiązania w tym przypadku, gdzie amplitudy fal rozprzestrzeniających się w ośrodku A1 i A2 są różne od zera, jest zerowy wyznacznik układu równań (17.70) i (17.71), co prowadzi do wniosku, że zmiana prędkości dźwięku fali podłużnej jest zgodna z zachowaniem fali S. Prędkości fal P- (szybka i wolna) w porowatych mediach stają się zespolone, gdy uwzględnimy tłumienie lepkie w nasyconych cieczą mediach porowatych. W wyniku tego zjawiska, amplitudy fal P szybko i wolno rozprzestrzeniających się w takich ośrodkach maleją w miarę oddalania się od źródła.

Szczególnie ważnym aspektem jest rola współczynnika jakości Biota, ρmn, który w tym kontekście zmienia się na liczbę zespoloną, odzwierciedlającą zjawiska tłumienia w zależności od częstotliwości fali. Tłumienie zależne od częstotliwości wiąże się z wieloma czynnikami, takimi jak porowatość ϕ, średni rozmiar porów a, częstotliwość fali akustycznej f, oraz lepkość cieczy η. Zjawisko to sprawia, że współczynniki tłumienia są zależne od parametrów fizycznych, takich jak rozmiar porów i lepkość medium, a także od częstotliwości fali. Przekłada się to na zmiany w charakterystyce tłumienia przy wzroście częstotliwości, które muszą być uwzględnione w dokładnych obliczeniach związanych z propagacją fal akustycznych.

W przypadku uwzględnienia wysokoczęstotliwościowego tłumienia, konieczne jest przekształcenie współczynnika masy Biota, ρmn, przy czym wprowadza się skomplikowane modyfikacje, które pozwalają na dokładniejsze odwzorowanie wpływu lepkości na rozprzestrzenianie się fal w zależności od częstotliwości. Stąd też rozważanie współczynnika tłumienia, który zależy od rozmiaru porów i lepkości, jest kluczowe dla bardziej precyzyjnego modelowania fal w nasyconych cieczą mediach porowatych.

Dalszym krokiem jest zrozumienie, jak parametry takie jak porowatość ϕ i średni rozmiar porów a mogą wpływać na współczynnik tłumienia przy różnych częstotliwościach. W kontekście praktycznym, zmieniając te parametry, można uzyskać wskazówki dotyczące struktury i właściwości materiałów porowatych, co ma szczególne znaczenie w analizach takich jak ocena jakości kości czy innych materiałów biologicznych. Ponadto, uwzględniając zmiany w jakości współczynnika ρmn, można uzyskać szczegółowy obraz oddziaływań między strukturą porowatą a właściwościami akustycznymi medium.

Przy wykorzystaniu tych zależności, technologie takie jak spektroskopia fotoakustyczna, które oferują analizę składu chemicznego i struktury fizycznej tkanek, stają się coraz bardziej istotnym narzędziem w diagnostyce medycznej. Dzięki metodzie analizy widma fotoakustycznego, możliwe staje się precyzyjne określenie składu chemicznego tkanek, w tym wykrywanie biomarkerów takich jak kolagen, który jest istotnym wskaźnikiem postępu osteoporozy. Dzięki temu, technologie te mogą stanowić ważne narzędzie do wczesnej diagnozy chorób związanych z układem kostnym.

Jak obrazowanie fotoakustyczne zmienia podejście do małoinwazyjnych interwencji medycznych?

Obrazowanie fotoakustyczne (PAI) staje się istotnym ogniwem w rozwoju małoinwazyjnych metod diagnostycznych i terapeutycznych, integrując optykę i ultradźwięki w sposób umożliwiający uzyskiwanie obrazów o wysokiej rozdzielczości i kontrastowości w głębokich strukturach biologicznych. W ostatnich latach technika ta została zastosowana w szeregu procedur klinicznych, od ablacji laserowej żył, przez interwencje kardiochirurgiczne, po brachyterapię prostaty.

Zastosowanie PAI w prowadzeniu endowaskularnej ablacji laserowej umożliwia precyzyjne śledzenie cewników i optymalizację parametrów zabiegu w czasie rzeczywistym. Prace Yan i współpracowników wykazały, że technika fotoakustyczna umożliwia wizualizację prowadnic laserowych podczas procedur ablacyjnych, a także ocenę interakcji między energią lasera a tkanką. Badania in vivo na modelach psich pokazały, że połączenie PAI z klasyczną ultrasonografią umożliwia znacznie bardziej dokładne pozycjonowanie światłowodów wewnątrznaczyniowych, minimalizując ryzyko perforacji ściany naczynia oraz redukując liczbę powikłań związanych z nadmiernym ogrzewaniem tkanek.

W kardiologii interwencyjnej PAI znajduje zastosowanie jako narzędzie do śledzenia cewników w czasie zabiegów na sercu. Dzięki integracji z robotycznym serwomechanizmem wizualnym, możliwe jest znaczne ograniczenie wykorzystania fluoroskopii – a co za tym idzie – zmniejszenie ekspozycji na promieniowanie jonizujące. Bell i współpracownicy wykazali, że wykorzystanie PAI do obrazowania serca in vivo w połączeniu z systemami automatycznego pozycjonowania otwiera nowe możliwości dla całkowicie bezfluoroskopowych interwencji kardiologicznych.

Obrazowanie fotoakustyczne znajduje również szerokie zastosowanie w brachyterapii prostaty – szczególnie w zakresie wizualizacji i planowania rozmieszczenia źródeł promieniowania w tkance gruczołu krokowego. Standardowe techniki obrazowe, takie jak ultrasonografia przezodbytnicza i tomografia komputerowa, mają ograniczoną zdolność do detekcji metalicznych źródeł promieniowania w warunkach wysokiego rozproszenia i heterogeniczności tkankowej. Zastosowanie PAI pozwala nie tylko na wizualizację nasion brachyterapeutycznych z wysoką czułością i specyficznością, ale również umożliwia korelację ich położenia z rzeczywistym rozkładem dawki w czasie rzeczywistym.

Zastosowanie PAI w środowisku klinicznym obejmuje również fuzję obrazów ultradźwiękowych i fotoakustycznych, co zwiększa precyzję lokalizacji i pozwala na dynamiczną korekcję trajektorii implantacji. Badania nad transuretralną dostawą światła do obrazowania PA oraz zastosowanie metod koherencji przestrzennej dla poprawy jakości obrazu pokazują, że rozwój w tym kierunku zmierza ku coraz większej dokładności i klinicznej przydatności.

Z istotnych kierunków rozwoju należy wymienić zastosowanie PAI do poprawy widoczności igieł w trakcie zabiegów pod kontrolą obrazu. W tym kontekście szczególne znaczenie ma integracja metod głębokiego uczenia z półsyntetycznymi zbiorami danych do zwiększenia kontrastu i rozdzielczości obrazu, jak pokazali Shi i współautorzy. Z kolei badania nad modyfikacją sygnału fotoakustycznego z powierzchni metalicznych sugerują możliwość dalszego zwiększania detekowalności implantów i narzędzi chirurgicznych poprzez odpowiednie projektowanie ich powierzchni.

Ważne jest zrozumienie, że skuteczność PAI nie polega wyłącznie na zdolności do generowania obrazu – kluczowe jest właściwe modelowanie transportu światła w złożonych strukturach anatomicznych. Modele Monte Carlo, jak MCML, stanowią obecnie podstawę do optymalizacji dostarczania energii świetlnej do wybranych warstw tkanek oraz kalibracji systemów PA pod kątem konkretnych zastosowań klinicznych.

Należy podkreślić, że zastosowanie PAI nie ogranicza się wyłącznie do detekcji struktur metalicznych – coraz więcej badań koncentruje się na wykorzystaniu tej technologii do identyfikacji zmian patologicznych, takich jak blaszki miażdżycowe o wysokim ryzyku pęknięcia, guzów prostaty czy nawet do prowadzenia biopsji pod kontrolą obrazu. Hy

Jakie wyzwania i możliwości oferują transduktory w systemach fotoakustycznych?

Laser Q-switched Nd:YAG działający w częstotliwości 20 Hz, generujący impulsy o czasie trwania 5–8 ns, stanowił źródło oświetlenia w omawianych systemach. Wiązka lasera była wprowadzana do wiązki światłowodów, której średnica wejściowa wynosiła 11,7 mm, a wyjściowa 35 × 1 mm. Transduktor wykorzystywał 128 elementów, które pokrywały kąt widzenia 270° na promieniu 40 mm. Rozstaw elementów wynosił 1,47 mm, a częstotliwość centralna oscylowała w okolicach 7,5 MHz. Aktywna powierzchnia miała wymiary 14 × 1,27 mm, a akustyczna apertura numeryczna wynosiła 0,2. Wydajność systemu była badana za pomocą punktowych celów. Szerokość na poziomie połowy maksymalnej wartości (FWHM) dla obrazu fotoakustycznego wynosiła 158,5 μm, podczas gdy dla obrazu ultradźwiękowego osiągała wartość 148,1 μm. Zdolność systemu do obrazowania in vivo została potwierdzona w skanach jamy brzusznej myszy, podczas których monitorowano parametry fizjologiczne, takie jak częstość oddechów i funkcje wątroby. Ponadto przeprowadzono obrazowanie stawu palca ludzkiego, co miało na celu udowodnienie przydatności systemu w diagnostyce choroby reumatoidalnej stawów.

Pełny system pierścieniowy zaproponowany przez Nishiyamę i in. służył do obrazowania układu naczyniowego palca ludzkiego. Pierwszym etapem było przeprowadzenie symulacji propagacji fal ultradźwiękowych od naczyń. Parametry transduktora, takie jak szerokość elementu, częstotliwość centralna, ogniskowa soczewki akustycznej oraz szerokość i wysokość czujnika, zostały poddane dokładnym analizom i optymalizacji za pomocą symulacji. Symulacje wykazały, że optymalnym wyborem okazał się transduktor o częstotliwości 3 MHz do rejestracji sygnałów z naczyń krwionośnych. System pierścieniowy zaprojektowany w tym badaniu składał się z 256 elementów, miał średnicę 33 mm, rozstaw elementów wynoszący 0,4 mm, szerokość elementów 0,3 mm i wysokość 0,5 mm. Częstotliwość centralna wynosiła 2,8 MHz, a szerokość pasma wynosiła 85%. Oświetlenie pierścienia uzyskano za pomocą światłowodu, a laser Nd:YAG współpracował z laserem OPO, generując impulsy o długości 800 nm i czasie trwania około 6 ns. System był w stanie obrazować obiekty o średnicy zaledwie 0,1 mm. Ogólnie rzecz biorąc, transduktory w układzie pierścieniowym umożliwiły znaczną poprawę szybkości obrazowania. Dla pełnego pierścienia wystarczył jeden impuls lasera, aby uzyskać obraz przekroju PACT (Photoacoustic Tomography) celu. W zależności od zastosowanego systemu akwizycji danych równoległych, czasami konieczne było użycie większej liczby impulsów lasera, aby zebrać wszystkie dane. Niemniej jednak, transduktory pierścieniowe charakteryzowały się znacznie lepszymi właściwościami pod względem czasu pozyskiwania obrazu w porównaniu do tradycyjnych transduktorów ultradźwiękowych z pojedynczymi elementami. Z biegiem czasu ulepszano te systemy, poprawiając pole widzenia i szybkość akwizycji obrazu. Jednak jednym z ograniczeń transduktorów pierścieniowych była ich geometria. Te transduktory sprawdzały się dobrze w obrazowaniu obiektów o okrągłych kształtach, takich jak mózg czy piersi. W przypadku innych części ciała lepszą opcją może być bardziej uniwersalny transduktor liniowy.

Transduktory oparte na układzie liniowym, znane w środowisku klinicznym jako sondy ultradźwiękowe, stanowią fundament fotoakustycznego obrazowania. Z uwagi na fakt, że obrazowanie fotoakustyczne opiera się na akwizycji sygnałów ultradźwiękowych, podobnie jak tradycyjne obrazowanie ultradźwiękowe, istnieje możliwość integracji źródeł światła z już istniejącymi systemami ultradźwiękowymi opartymi na układzie liniowym. Integracja oświetlenia laserowego z komercyjnie dostępnymi systemami ultradźwiękowymi, takimi jak iU22 firmy Philips, może przyspieszyć implementację PACT w zastosowaniach klinicznych. Elastyczność układów liniowych pozwala na swobodne skanowanie trudno dostępnych obszarów, które nie mogą być łatwo obrazowane za pomocą transduktorów pierścieniowych. W ramach tego podejścia, Erpelding i in. połączyli system oświetlenia światłem z systemem ultradźwiękowym Philips iU22, dokonując niezbędnych modyfikacji w celu uzyskania dostępu do danych RF oraz synchronizacji z wyzwalaniem lasera. System umożliwiał obrazowanie węzłów chłonnych szczurów przy użyciu sond liniowych o częstotliwościach 7–15 MHz. Źródłem oświetlenia był laser Nd:YAG Q-switched oraz tunowalny laser barwnikowy pracujący w częstotliwości 10 Hz, generujący impulsy o szerokości 6,5 ns. Szerokość tego pasma była wystarczająca do pokrycia maksymalnego wchłaniania metylenu niebieskiego (~667 nm). Wydajność na powierzchni obiektu wynosiła 5 mJ/cm2, co mieściło się w granicach bezpiecznych limitów ANSI. Wiązka lasera była wprowadzana do światłowodu, którego koniec był ustawiony pod kątem 45° względem płaszczyzny obrazowania.

Z biegiem lat doszło do udoskonalenia systemów fotoakustycznych ręcznych. Na przykład Sivasubramanian i in. przeprowadzili symulacje Monte Carlo dotyczące transportu światła w tkankach biologicznych w celu optymalizacji kąta oświetlenia w aplikacjach obrazowania węzłów chłonnych. Ostatecznie symulacje wykazały, że kąt oświetlenia powyżej 15° nie był optymalny dla tego typu obrazowania. W związku z tym, do badania wykorzystano włókna światłowodowe umieszczone w uchwytach 3D, które umożliwiały dostosowanie kąta w zakresie od 0° do 15°. Przy tak ustawionych światłowodach uzyskano wiązkę o długości 1 m, zawierającą 1600 włókien, co pozwoliło na uzyskanie bezpiecznych wartości energii na powierzchni tkanek, wynoszących około 6,4 mJ/cm2.

Systemy fotoakustyczne oparte na transduktorach liniowych wykazały się także znaczną szybkością obrazowania, zwłaszcza po integracji z diodami laserowymi o wysokiej częstotliwości powtórzeń. Jednym z najnowszych osiągnięć było osiągnięcie szybkości obrazowania 7000 klatek na sekundę, co miało istotne znaczenie dla monitorowania przepływu komórek czy kontrastowych środków cieniujących.

Wspomniane systemy wykazują ogromny potencjał w dziedzinie medycyny, szczególnie w diagnostyce wczesnych stadiów chorób nowotworowych czy chorób zapalnych, takich jak reumatoidalne zapalenie stawów, jednak wymagają dalszych badań nad optymalizacją parametrów i redukcją ograniczeń związanych z geometrycznymi właściwościami transduktorów. Prawidłowe dopasowanie systemu obrazowania do konkretnej aplikacji jest kluczowe dla uzyskania jak najbardziej precyzyjnych wyników.

Jak działają i czym różnią się zaawansowane algorytmy uczenia maszynowego: Random Forest, AdaBoost, XGBoost, CatBoost, LightGBM oraz sieci neuronowe i maszyny wektorów nośnych?
Jak technologia zmieniała świat na przełomie XIX i XX wieku?
Jak immunosupresja wpływa na leczenie zapalnych chorób oczu?
Jak nauczyć się języka japońskiego w 12 tygodni?