Obrazowanie fotoakustyczne (PA) jest jedną z najbardziej obiecujących metod w medycynie interwencyjnej, pozwalającą na precyzyjne śledzenie urządzeń medycznych w organizmach pacjentów. Jednakże, jak każda technologia, posiada swoje ograniczenia, które mogą wpłynąć na jakość uzyskiwanych obrazów. W kontekście implantacji urządzeń, takich jak igły czy nasiona brachyterapeutyczne (BT), kluczowe jest zapewnienie odpowiedniej penetracji światła oraz minimalizacja zakłóceń, które mogą obniżyć dokładność wyników.

Jednym z głównych wyzwań w zastosowaniach interwencyjnych jest ograniczona głębokość penetracji światła w tkankach. Zwykle światło emitowane z końcówki włókna światłowodowego traci na intensywności w miarę przechodzenia przez tkankę, co skutkuje tym, że skuteczna głębokość penetracji wynosi jedynie 1–2 cm. Dla porównania, w przypadku implantacji nasion BT, głębokość skanowania wynosi około 5 cm, co sprawia, że tradycyjne metody obrazowania PA stają się niewystarczające. W tej sytuacji rozwiązaniem mogą być techniki dostosowania oświetlenia, takie jak metoda transperinealna czy transuretralna, które pozwalają na skuteczniejszą dostawę światła w pobliże implantu.

Aby poprawić jakość obrazów uzyskiwanych z wykorzystaniem fotoakustyki, badane są różne modyfikacje urządzeń medycznych. Zastosowanie powłok o wysokiej absorpcji optycznej na zewnętrznych powierzchniach urządzeń, takich jak igły czy cewniki, prowadzi do zwiększenia kontrastu obrazu. Na przykład, w badaniach przeprowadzonych przez Pan i in. (2013) [78], użycie czarnego barwnika na nasionach BT pozwoliło na zwiększenie widoczności implantów do głębokości 50 mm w modelu ex vivo. Inne badania wykazały, że nanokompozytowe powłoki wykonane z nanotub węglowych i elastomerów (MWCNT/PDMS) mogą poprawić widoczność metalowych igieł i cewników epiduralnych, umożliwiając ich detekcję do głębokości 35 mm.

W celu poprawy jakości obrazu, istotne staje się również usuwanie artefaktów związanych z urządzeniami medycznymi. Artefakty te mogą mieć intensywność zbliżoną do sygnałów pochodzących z tkanek docelowych, co utrudnia ich prawidłowe rozróżnienie. Aby temu zapobiec, wprowadza się różnorodne techniki oczyszczania obrazu, takie jak próg obrazowania, który pozwala na tłumienie niepożądanych artefaktów. Istnieją także rozwiązania oparte na uczeniu maszynowym, które pozwalają na automatyczne usuwanie artefaktów i poprawę widoczności urządzeń. Na przykład, w badaniach Shi i in. (2022) zaprezentowano metodę opartej na głębokim uczeniu sieci neuronowych, która znacząco poprawiła identyfikację igieł w obrazach PA, osiągając pięciokrotny wzrost sygnału w porównaniu do tradycyjnych metod rekonstrukcji obrazu.

Kolejnym ważnym aspektem w obrazowaniu PA jest kwestia hałasu, który może obniżać stosunek sygnał-szum (SNR). Z tego powodu naukowcy opracowali różne techniki, takie jak stosowanie beamformerów, które poprawiają kontrast obrazów w warunkach słabego oświetlenia. Na przykład, Bell i in. (2013) zaprezentowali zastosowanie beamformera SLSC (Short-Lag Spatial Coherence) do poprawy kontrastu nasion w obrazach PA. W porównaniu do tradycyjnych metod beamforming, SLSC pozwala na znaczne zwiększenie wartości SNR i CNR, co przekłada się na lepszą jakość diagnostyczną.

Wszystkie te innowacje w obrazowaniu PA pozwalają na znaczne poprawienie dokładności i efektywności monitorowania implantów medycznych, zwłaszcza w procedurach interwencyjnych, które wymagają precyzyjnego rejestrowania pozycji stentów czy innych urządzeń w ciele pacjenta. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów, takich jak powłoki nanokompozytowe, oraz technik obróbki sygnałów, możliwe jest uzyskanie bardziej szczegółowych obrazów, co w efekcie zwiększa bezpieczeństwo i skuteczność zabiegów medycznych.

Warto również zaznaczyć, że wszystkie te techniki powinny być stosowane w połączeniu z odpowiednimi metodami kalibracji i kontrolowania jakości, aby zapewnić, że uzyskane obrazy rzeczywiście odpowiadają rzeczywistej lokalizacji i stanie urządzenia medycznego w organizmie pacjenta. W przeciwnym razie, nieprawidłowo interpretowane obrazy mogą prowadzić do błędnych decyzji terapeutycznych, co naraża pacjenta na ryzyko.

Jak zdjęcia fotoakustyczne mogą zmienić diagnostykę medyczną?

Współczesne technologie medyczne zmieniają sposób, w jaki diagnozujemy i monitorujemy stan zdrowia pacjentów. W szczególności techniki obrazowania fotoakustycznego (PA) zyskują na znaczeniu, oferując nowe możliwości w wykrywaniu i ocenie stanów zapalnych, zmian nowotworowych oraz w monitorowaniu leczenia. Fotoklastyczna technika obrazowania łączy cechy ultradźwięków z optycznym obrazowaniem, umożliwiając uzyskanie szczegółowych obrazów w czasie rzeczywistym, przy minimalnym ryzyku dla pacjenta.

Jeden z przykładów zastosowania tej technologii dotyczy badania reaktywnych form tlenu i azotu (RONS), które odgrywają kluczową rolę w wielu procesach biologicznych. RONS są niezbędne do przekazywania sygnałów w organizmach żywych, rozluźniania mięśni gładkich i regulowania ciśnienia krwi. Zmiany w poziomach tych cząsteczek mogą prowadzić do rozwoju wielu chorób, w tym nowotworów, co czyni ich wykrywanie istotnym w diagnostyce i leczeniu chorób zapalnych i onkologicznych. Badania prowadzone przez Haririego i in. z 2019 roku, stosujące molekularne obrazowanie RONS, wykorzystały małe cząsteczki absorbujące bliską podczerwień (CyBA) w połączeniu z systemem obrazowania LED-PA. Uzyskane wyniki pokazały, że intensywność sygnału PA wzrastała o 3,2 razy w ciągu 90 minut od wstrzyknięcia CyBA, co pozwala na monitorowanie stanu zapalnego w organizmach zwierzęcych.

Jednym z kluczowych atutów technologii PA z wykorzystaniem diod LED jest jej przydatność w warunkach klinicznych. W przeciwieństwie do tradycyjnych laserów Nd:YAG, diody LED nie generują wysokiej mocy, co zapobiega wypalaniu barwników stosowanych w obrazowaniu. Dzięki temu metoda LED-PA wykazuje dużą czułość w wykrywaniu RONS i stwarza możliwości w zastosowaniach klinicznych, takich jak diagnoza keloidów czy badania toksyczności leków.

Kolejnym obszarem, w którym technika fotoakustyczna odgrywa istotną rolę, jest obrazowanie komórek molekularnie oznakowanych. W badaniu Haririego z 2021 roku zastosowano kontrastowy barwnik DiR do obrazowania komórek macierzystych w organizmach myszy. Obrazowanie przy użyciu technologii PA z zastosowaniem barwnika DiR pozwoliło na uzyskanie wyraźnego obrazu tych komórek, umożliwiając monitorowanie ich rozmieszczenia w ciele. Uzyskane obrazy z zastosowaniem PA i US pokazały wyraźny wzrost intensywności sygnału w obecności komórek macierzystych oznakowanych DiR w porównaniu z kontrolą, co stanowi ważny krok w kierunku wykorzystania PA w obrazowaniu komórek.

Technologia LED-PA znalazła także zastosowanie w obrazowaniu naczyń krwionośnych i limfatycznych. Badania przeprowadzone przez Kuniyila Ajitha Singha pokazały, jak za pomocą dwu-widłowej technologii LED (820 nm/940 nm) można jednocześnie i w czasie rzeczywistym różnicować naczynia żylne i limfatyczne. Dzięki zastosowaniu barwnika indocyjaninowego (ICG) jako środka kontrastowego udało się uzyskać obrazy, które precyzyjnie oddzielają te dwa rodzaje naczyń, co może mieć kluczowe znaczenie w takich procedurach jak anastomoza limfatyczno-żylna.

Ostatnie osiągnięcia w obrazowaniu 3D z wykorzystaniem tomografii fotoakustycznej w połączeniu z ultradźwiękami przynoszą rewolucję w diagnostyce obrazowej. Badania przeprowadzone przez Josepha i in. dotyczące skanowania stawów palców, z zastosowaniem diod LED oraz ultradźwięków, dowiodły, że możliwe jest uzyskanie szczegółowych, przestrzennych obrazów o wysokiej rozdzielczości w warunkach klinicznych. Ta nowa technologia 3D pozwala na eliminację problemów związanych z ograniczonym polem widzenia w tradycyjnych metodach obrazowania 2D.

Wszystkie te innowacje w technologii PA wskazują na ogromny potencjał tej metody w medycynie. Dzięki łatwości zastosowania diod LED, niskim kosztom oraz wysokiej rozdzielczości uzyskiwanych obrazów, technologia ta staje się dostępna nie tylko w dużych ośrodkach badawczych, ale również w punktach medycznych, gdzie szybka diagnoza jest kluczowa. Potencjalne zastosowania w diagnostyce nowotworów, chorób zapalnych, obrazowaniu komórek macierzystych czy w monitorowaniu leczenia przy użyciu leków stwarzają nowe możliwości w medycynie spersonalizowanej, otwierając drogę do precyzyjnego i szybkiego leczenia.

Jak fotoakustyka zmienia obrazowanie medyczne i diagnostykę chorób?

Fotoakustyka, łącząca absorpcję światła z emisją fali akustycznej, staje się jedną z najbardziej obiecujących technologii obrazowania w medycynie. Dzięki możliwościom głębokiego obrazowania z wysoką rozdzielczością, bez potrzeby stosowania znaczników fluorescencyjnych, technika ta znajduje zastosowanie w szerokim spektrum klinicznych i eksperymentalnych scenariuszy.

W obrazowaniu wewnątrznaczyniowym, fotoakustyka umożliwia precyzyjne uwidocznienie blaszek miażdżycowych w tętnicach wieńcowych. Praca Jansena i współautorów jako jedna z pierwszych wykazała, że technika ta może zidentyfikować zmiany lipidowe i strukturalne w ścianie naczyń bez konieczności stosowania barwników czy kontrastów. To znacząco wykracza poza możliwości konwencjonalnej ultrasonografii wewnątrznaczyniowej.

W neurologii fotoakustycznej mikroskopii wysokiej szybkości, badania Yao i zespołu otworzyły możliwość obserwacji dynamicznej aktywności mózgu myszy bez ingerencji w strukturę tkanek, co stanowi potencjalną drogę do zrozumienia funkcjonalnych mechanizmów mózgu w czasie rzeczywistym.

Z kolei w onkologii klinicznej technologia ta zdobywa coraz większe uznanie. Lin i Wang przedstawili przegląd roli fotoakustyki w detekcji guzów nowotworowych, gdzie rozdzielczość przestrzenna i kontrast molekularny pozwalają na obrazowanie nowotworów na głębokościach dotąd niedostępnych dla klasycznych metod optycznych. Co istotne, fotoakustyka oferuje nieinwazyjne monitorowanie odpowiedzi guza na terapię, z możliwością rozróżniania naczyń krwionośnych, hipoksji i metabolizmu glukozy.

Obrazowanie tlenacji błony maziowej u pacjentów z reumatoidalnym zapaleniem stawów, zaprezentowane przez Yang i współpracowników, pokazuje możliwość nieinwazyjnego monitorowania stanu zapalnego w czasie rzeczywistym. Umożliwia to lepszą ocenę aktywności choroby oraz odpowiedzi na leczenie.

Zastosowania kliniczne obejmują również trudno gojące się rany. System tomografii fotoakustycznej 3D, opracowany przez Wang i współautorów, pozwala na monitorowanie stanu przewlekłych owrzodzeń stopy z niezwykłą dokładnością przestrzenną, co może zmniejszyć liczbę amputacji poprzez wcześniejszą interwencję.

Zaawansowane techniki, takie jak MS-PAFI (multispektralne obrazowanie fluktuacji fotoakustycznych), łączone z Dopplerowskim ultradźwiękiem, umożliwiają pełnowymiarowe trójwymiarowe mapowanie przepływu krwi i nasycenia tlenem. Takie podejście integracyjne oferuje wielowymiarowy wgląd w fizjologię tkanek.

Fotoakustyka znajduje również zastosowanie w identyfikacji krążących komórek nowotworowych. Tomografia fotoakustyczna o wysokiej przepustowości, jak pokazano w badaniu Hai i zespołu, wykrywa obecność komórek czerniaka bez potrzeby znakowania, co daje potencjał do rozwoju bezinwazyjnych testów przesiewowych dla nowotworów.

W obrazowaniu histologicznym coraz większą rolę odgrywa mikroskopia fotoakustyczna w ultrafiolecie wspomagana uczeniem głębokim, umożliwiająca wirtualne barwienie tkanek. Kang i współpracownicy dowiedli, że technika ta oferuje niemal rzeczywisty obraz histologiczny bez konieczności barwienia fizycznego, co przyspiesza diagnostykę śródoperacyjną.

Odrębnym kierunkiem są zaawansowane środki kontrastowe – nanocząstki, barwniki organiczne i konstrukcje molekularne – które nie tylko zwiększają kontrast sygnału, ale też umożliwiają ukierunkowaną diagnostykę molekularną. Nanopręty złot

Jak zrozumieć znaczenie wyrazów o podobnym brzmieniu w języku polskim?
Jakie wyzwania i korzyści niesie za sobą implementacja głębokiego uczenia w analizie danych i prognozowaniu?
Jak Lady in the Dark zrewolucjonizowała amerykański teatr w czasie wojny?