Nowoczesne techniki obrazowania mikrokrążenia rozwijają się w kierunku coraz większej precyzji i miniaturyzacji. Sieć kapilarna błony kosmówkowo-omoczniowej oraz naczynia o średnicy około 50 μm mogą być obecnie wizualizowane z niezwykłą szczegółowością dzięki metodom fotoakustycznym. Projekcje x–y na głębokościach od 0 do 200 μm pozwalają na odwzorowanie anatomicznej struktury mikrokrążenia w zarodkach ptasich, a dalsze projekcje, sięgające nawet do 1,5 mm w głąb, umożliwiają trójwymiarowe odwzorowanie tego obszaru, ukazując przekroje y–z i kodowanie głębokości, które pozwala na precyzyjne zlokalizowanie każdej struktury.

Technika ta została zastosowana również do obrazowania mikrokrążenia w skórze brzusznej pięciotygodniowej myszy z linii BALB/C. Projekcje x–y oraz x–z do głębokości 2 mm ujawniają naczynia krwionośne w warstwie skóry właściwej i tkanki podskórnej o średnicach od 53 do 180 μm. Obrazowanie to uzyskano przy użyciu cienkowłóknowej sondy endoskopowej opartej na światłowodach wielomodowych (MMF), które, dzięki swojej niewielkiej średnicy, znacząco redukują rozmiar całego systemu endoskopowego. Zastosowanie 140-μm MMF do dostarczania światła wzbudzającego oraz ultraczułego czujnika fotoakustycznego opartego na mikrorezonatorze światłowodowym umożliwiło opracowanie ultracienkiej sondy mieszczącej się wewnątrz igły medycznej o rozmiarze 20G. Dzięki technice kształtowania czoła fali za pomocą cyfrowego mikrolustra uzyskano szybkie skanowanie rastrowe ogniska świetlnego, co pozwoliło na tworzenie obrazów czerwonych krwinek myszy na obszarze 100 μm z szybkością około 3 klatek na sekundę i rozdzielczością optyczną sięgającą granicy dyfrakcyjnej (~1,2 μm). Tego typu sonda umożliwia potencjalnie pozyskiwanie obrazów z subkomórkową rozdzielczością, dostarczając funkcjonalnych, molekularnych i mikrostrukturalnych informacji o tkankach w czasie rzeczywistym, co jest nieocenione w kontekście chirurgii małoinwazyjnej.

Zminiaturyzowane czujniki optyczne mogą być również montowane bezpośrednio w tkance mózgowej żywego organizmu. Ostatnie badania doprowadziły do opracowania taniej metody litografii nanoimprintowej w celu wytwarzania jednorazowych czujników optycznych opartych na rezonatorach mikropierścieniowych. Poprzez integrację takiego czujnika z wewnętrzną powierzchnią przewlekłego okienka czaszkowego (CCW) stworzono system usCCW, który umożliwia długoterminowe, in vivo obrazowanie mikrokrążenia korowego. Czujnik ten idealnie wpasowuje się w wąską przestrzeń pomiędzy oponą twardą a szklaną pokrywą czaszki, bez istotnego wpływu na ruchliwość zwierzęcia.

Obrazowanie przez usCCW z zastosowaniem mikroskopii fotoakustycznej (PAM) pozwala na uzyskanie maksymalnych projekcji intensywności oraz obrazów głębokościowo zakodowanych, ukazujących nawet najmniejsze detale kapilarne. Dodatkowo PAM umożliwia wizualizację tymczasowych krwotoków i głębiej położonych naczyń, co staje się możliwe dzięki wysokiej rozdzielczości osiowej oferowanej przez optyczny czujnik ultradźwiękowy.

W dalszych eksperymentach przeprowadzono długoterminowe obrazowanie korowe z wykorzystaniem usCCW, gdzie czujnik został zaimplantowany na czole myszy. Pomimo zastosowania jedynie dwóch światłowodów, system wykazał wysoką stabilność, a jakość czujnika ulegała jedynie marginalnej degradacji w ciągu 28 dni. Przez cały okres obserwacji zaobserwowano zmiany w strukturze naczyń – od pooperacyjnych krwotoków, które ulegały samoistnemu wchłonięciu, po intensywną neowaskularyzację, która świadczy o dynamicznych procesach naprawczych w obrębie mózgu.

Znaczenie tych technologii wykracza poza aspekt czysto techniczny. Obrazowanie fotoakustyczne w połączeniu z optycznymi czujnikami ultradźwiękowymi otwiera nową perspektywę dla nieinwazyjnego monitorowania funkcji biologicznych z niespotykaną dotąd rozdzielczością i głębokością. W odróżnieniu od klasycznych przetworników piezoelektrycznych, optyczne czujniki mikrorezonatorowe oferują miniaturyzację

Czy obrazowanie za pomocą fotoakustyki ma potencjał w diagnostyce raka piersi?

Obrazowanie piersi z wykorzystaniem technik fotoakustycznych (PAI) staje się coraz bardziej obiecującym narzędziem diagnostycznym, zwłaszcza w kontekście wczesnego wykrywania guzów piersi oraz wspomagania decyzji terapeutycznych na podstawie różnych parametrów fizjologicznych. W tradycyjnych metodach diagnostycznych, takich jak mammografia czy ultrasonografia, istnieją ograniczenia, szczególnie w ocenie gęstości tkanek piersi czy w przypadkach o wysokim ryzyku nowotworowym. W tym kontekście PAI wykazuje dużą przewagę, oferując możliwość precyzyjnego obrazowania sieci naczyniowej nowotworów i zmian w obrębie tkanek, co umożliwia lepsze zrozumienie ich charakterystyki biologicznej.

Jednakże mimo obiecujących wyników w badaniach eksperymentalnych, translacja technologii PAI do praktyki klinicznej nadal napotyka liczne wyzwania. Jednym z głównych problemów jest brak standaryzacji zarówno technologii, jak i procedur operacyjnych. Aby metoda ta mogła być skutecznie wykorzystywana w szpitalach i klinikach, konieczne jest opracowanie uniwersalnych wytycznych dotyczących jej stosowania oraz integracji z istniejącymi procedurami diagnostycznymi. Ponadto, radiolodzy oraz specjaliści medyczni będą musieli przejść specjalistyczne szkolenia, aby potrafili interpretować nową informację i cechy uzyskiwane z systemów PAI.

Kolejnym wyzwaniem jest potrzeba przeprowadzenia dużych prospektywnych badań klinicznych, które pomogą określić, jakie udoskonalenia są konieczne, a także rozwiązać problemy związane z integracją PAI w codziennym workflow diagnostycznym. Badania takie powinny obejmować zarówno pacjentki z potwierdzonymi zmianami nowotworowymi, jak i osoby bez wyraźnych objawów, aby móc ocenić rzeczywisty potencjał technologii w kontekście wczesnego wykrywania raka piersi.

PAI w połączeniu z tradycyjnymi technikami obrazowania, takimi jak ultrasonografia czy rezonans magnetyczny, pozwala na uzyskanie szczegółowych obrazów struktur piersi, w tym naczyń krwionośnych, które stanowią istotny element oceny nowotworów. Ta wielkość danych o charakterystyce zmian nowotworowych może w przyszłości znacząco wpłynąć na lepsze monitorowanie postępów terapii oraz prognozowanie odpowiedzi na leczenie. W praktyce oznacza to, że w przyszłości technika PAI może stać się integralną częścią wczesnego wykrywania i monitorowania nowotworów piersi.

Warto również podkreślić, że skuteczność PAI w diagnostyce raka piersi nie ogranicza się wyłącznie do wykrywania nowotworów. Pomaga także w analizie mikrokrążenia oraz wykrywaniu ewentualnych zmian w strukturach naczyniowych, które mogą być wczesnym sygnałem rozwoju nowotworu. Umożliwia to dokładniejsze określenie stopnia zaawansowania choroby oraz może stanowić cenną informację w procesie planowania leczenia.

Z perspektywy przyszłości, PAI ma również potencjał, by stać się narzędziem o szerokim zakresie zastosowania, nie tylko w diagnostyce, ale także w monitorowaniu odpowiedzi na leczenie, przewidywaniu nawrotów oraz ocenie skuteczności stosowanych terapii. Oczekuje się, że z biegiem czasu technologia ta będzie coraz bardziej przystępna i łatwiejsza do wdrożenia w standardowej praktyce klinicznej, co może zrewolucjonizować sposób, w jaki diagnozujemy i monitorujemy raka piersi.

Jednak poza możliwościami technologicznymi, kluczowe dla powodzenia tej technologii będą działania zmierzające do ustandaryzowania metod obrazowania oraz szkolenia lekarzy i radiologów. Dzięki temu, systemy PAI staną się w pełni użyteczne i dostępne w codziennej praktyce medycznej, poprawiając jakość diagnostyki i leczenia pacjentek z rakiem piersi.

Jak technologia OpUS rewolucjonizuje obrazowanie medyczne w chirurgii minimalnie inwazyjnej?

Obrazowanie odgrywa kluczową rolę w medycynie, zwłaszcza w chirurgii minimalnie inwazyjnej, gdzie precyzja i bezpieczeństwo pacjenta są najważniejsze. Tradycyjne technologie, takie jak rentgen i tomografia komputerowa (CT), dostarczają cennych informacji przed i w trakcie operacji, jednak wiążą się z ryzykiem narażenia na promieniowanie. Z kolei rezonans magnetyczny (MRI), choć wolny od promieniowania, ma swoje ograniczenia, szczególnie w zakresie obrazowania w czasie rzeczywistym. Ultrasonografia, z drugiej strony, oferuje bezpieczną, nieinwazyjną i stosunkowo tanią metodę obrazowania, która szczególnie nadaje się do zastosowań w czasie rzeczywistym.

Pomimo że tradycyjne ultradźwięki stały się szeroko stosowaną metodą, napotykają one wyzwania związane z miniaturyzacją czujników i transduktorów. W odpowiedzi na te trudności, naukowcy zaczęli badać innowacyjne podejścia, takie jak obrazowanie OpUS (Optoacoustic Ultrasound), które wykazuje ogromny potencjał w kontekście chirurgii minimalnie inwazyjnej.

OpUS to technologia, która łączy zalety ultradźwięków i obrazowania optoakustycznego, oferując możliwość uzyskiwania obrazów o wysokiej rozdzielczości. Przewagą tej technologii jest również możliwość miniaturyzacji, co umożliwia tworzenie niewielkich, przenośnych urządzeń diagnostycznych. OpUS wykorzystuje lasery do generowania fali ultradźwiękowej, co pozwala na precyzyjne mapowanie tkanek w czasie rzeczywistym, a przy tym nie wiąże się z ryzykiem uszkodzenia zdrowych komórek, jak ma to miejsce w przypadku promieniowania.

OpUS, w porównaniu do tradycyjnych systemów ultradźwiękowych, oferuje dodatkowe zalety, takie jak multimodalność, możliwość współpracy z MRI i lepszą jakość obrazów. Dzięki wykorzystaniu cienkowarstwowych metalowych filmów, takich jak chrom (Cr), molibden (Mo) czy aluminium (Al), generowanie ultradźwięków za pomocą lasera staje się prostsze i tańsze. Jednak filmów tych nie można wykorzystywać bez ograniczeń. Na przykład ich odporność na ciśnienie i szerokość pasma są niewystarczające do uzyskania idealnych wyników w niektórych zastosowaniach. Z tego powodu powstają nowoczesne kompozyty materiałowe, które poprawiają efektywność generowania fal ultradźwiękowych.

Badania dotyczące mechanizmów termoelastycznych generacji ultradźwięków pozwoliły lepiej zrozumieć wpływ częstości powtarzania impulsów i długości fal lasera na generowane sygnały ultradźwiękowe. Z kolei opracowywanie bardziej zaawansowanych kompozytów, takich jak PDMS/Cr/PDMS/Al, pozwoliło na poprawę wymiany ciepła oraz absorpcji energii, co znacznie zwiększa efektywność technologii OpUS.

Oprócz metalowych filmów, do najnowszych badań należy także wykorzystanie nanocząsteczek wytworzonych z węgla, złota oraz węgla nanowłókien (CNTs), które wykazują unikalne właściwości w zakresie generowania ultradźwięków. W szczególności kompozyty PDMS wzbogacone złotymi nanocząstkami charakteryzują się lepszą absorpcją światła, a przy tym poprawiają efektywność generowania fal ultradźwiękowych przy wyższych częstotliwościach.

Integracja nanomateriałów, takich jak nanocząsteczki węgla (MWCNTs) i nanocząsteczki złota, otwiera nowe perspektywy w tworzeniu sond OpUS. Dzięki tym materiałom można uzyskać sondy o szerszym paśmie ultradźwięków oraz wysokich ciśnieniach akustycznych, co jest szczególnie istotne w medycynie, gdzie precyzyjne obrazowanie tkanek jest niezbędne. Również nanocząsteczki z tlenku grafenu (rGO) wykazują obiecujące właściwości w zakresie zwiększania ciśnienia ultradźwiękowego, co czyni je idealnym materiałem do obrazowania w czasie rzeczywistym.

Ostatnie postępy w dziedzinie technologii światłowodowych dla OpUS, w tym opracowanie światłowodowych sond optoakustycznych, znacząco przyczyniły się do rozwoju medycyny minimalnie inwazyjnej. Dzięki tym innowacjom możliwe jest uzyskiwanie obrazów o wysokiej rozdzielczości, które umożliwiają dokładną diagnozę oraz monitorowanie postępu operacji bez konieczności stosowania tradycyjnych metod obrazowania, które mogą wiązać się z ryzykiem uszkodzenia tkanek.

Na szczególną uwagę zasługują także badania dotyczące zastosowań różnych materiałów, takich jak krople kwantowe (QDs), które posiadają regulowaną szerokość pasma, a także nanocząsteczki CIS, stanowiące biokompatybilną alternatywę dla innych materiałów. Dzięki zastosowaniu tych innowacyjnych technologii możliwe staje się nie tylko poprawienie jakości obrazów, ale także wdrożenie systemów multimodalnych, które łączą obrazowanie ultradźwiękowe z obrazowaniem fotoakustycznym.

Opracowanie sond światłowodowych z zastosowaniem tych zaawansowanych materiałów stanowi przełom w medycynie. W szczególności sondy z nanocząstkami złota oraz nanocząsteczkami węgla (MWCNTs i CNFs) mogą być wykorzystywane do obrazowania w szerokim zakresie częstotliwości ultradźwiękowych, co otwiera nowe możliwości w diagnostyce i leczeniu. Z kolei wykorzystanie kropli kwantowych w kompozytach PDMS pozwala na uzyskanie obrazów o wysokiej jakości przy jednoczesnym wzmocnieniu absorpcji światła, co jest istotne w kontekście minimalizacji ryzyka w trakcie zabiegów chirurgicznych.

Dalsze badania nad rozwojem materiałów, takich jak nanocząsteczki złota, CNT oraz QDs, a także optymalizowanie metod produkcji sond światłowodowych, mają na celu dalsze udoskonalenie tej technologii, co pozwoli na jeszcze dokładniejsze, bardziej precyzyjne i bezpieczne obrazowanie w medycynie.

Jak modelować zjawiska fizyczne za pomocą równań różniczkowych cząstkowych (PDE)?
Samoregulacja a Ryzyka Generatywnej Sztucznej Inteligencji: Wyzwania i Przyszłość Przepisów
Jak działają cyklodekstryny jako fluorescencyjne chemosensory metali ciężkich?