Jakie wyzwania stoją przed rozwojem technologii obrazowania fotoakustycznego wspomaganego uczeniem głębokim?

Wykorzystanie technologii głębokiego uczenia w obrazowaniu fotoakustycznym zyskuje coraz większe uznanie dzięki swojej zdolności do poprawy jakości obrazów oraz zwiększenia dokładności diagnostycznej. Jednakże, jak pokazują liczne badania, wykorzystanie tych metod w praktyce wymaga pokonania kilku istotnych wyzwań związanych z dostępnością odpowiednich danych, wymaganiami obliczeniowymi oraz ograniczeniami w samej technologii.

Symulacje fotoakustyczne obejmują zarówno modele optyczne, jak i akustyczne. W pierwszym przypadku konieczne jest odwzorowanie interakcji światła z tkankami, co można osiągnąć za pomocą równań transportu radiacyjnego (RTE), chociaż ze względu na ich skomplikowaną naturę częściej stosuje się przybliżenia, takie jak metoda rozpraszania (P1) czy symulacje Monte Carlo. Wśród popularnych narzędzi do symulacji optycznych znajdują się takie programy jak NIRFAST, TOAST++ oraz COMSOL, które umożliwiają modelowanie interakcji światła z tkanką za pomocą metod numerycznych, takich jak metoda elementów skończonych (FEM).

Z kolei symulacje akustyczne, które są kluczowe dla obrazowania fotoakustycznego, często opierają się na oprogramowaniu takim jak k-Wave. Jest to popularne narzędzie open-source, które wykorzystuje metodę pseudospektralną do modelowania akustycznego. Co ważne, k-Wave pozwala na generowanie syntetycznych danych akustycznych, które następnie mogą zostać użyte do trenowania modeli głębokiego uczenia. Dodatkowo, istnieją także alternatywne narzędzia takie jak Field-II, które zostały opracowane z myślą o obrazowaniu ultradźwiękowym, ale mogą zostać dostosowane do potrzeb obrazowania fotoakustycznego.

Po przeprowadzeniu symulacji zarówno dla światła, jak i dla akustyki, kolejnym krokiem jest rekonstrukcja obrazu fotoakustycznego. Istnieje wiele różnych metod rekonstrukcji, które mogą zostać zastosowane do danych otrzymanych z transduktorów. Wspomniana już wcześniej platforma k-Wave oferuje różne opcje rekonstrukcji, a dodatkowo dostępne są także międzynarodowe standardy rekonstrukcji obrazów opracowane przez Photoacoustic International Standardization Consortium (IPASC).

Jednakże, mimo że symulacje stanowią ważny krok w rozwoju technologii obrazowania fotoakustycznego, to prawdziwy postęp w tej dziedzinie jest ściśle związany z poprawą jakości danych wejściowych. Nowoczesne metody głębokiego uczenia, takie jak modyfikowane architektury U-Net, okazują się bardzo skuteczne w rozwiązywaniu problemów takich jak szum czy poprawa rozdzielczości. Na przykład, podejście zaproponowane przez Dehnera i współpracowników opiera się na wykorzystaniu architektury U-Net do usuwania szumów z danych RF, co pozwala na poprawę kontrastu obrazów. Takie podejścia znajdują zastosowanie w diagnostyce medycznej, poprawiając jakość obrazów uzyskiwanych z danych fotoakustycznych, co może prowadzić do lepszej oceny np. stanu tkanek czy wykrywania zmian patologicznych.

Należy jednak pamiętać, że wykorzystanie głębokiego uczenia w obrazowaniu fotoakustycznym to nie tylko kwestia poprawy jakości obrazów. Ważnym aspektem jest także integracja różnych źródeł danych. Współczesne badania nad systemami fotoakustycznymi zmierzają w kierunku tworzenia wielozadaniowych modeli, które mogą rozwiązywać szereg problemów równocześnie, takich jak poprawa rozdzielczości, usuwanie szumów czy rozszerzanie pasma. Takie podejście pozwala na stworzenie bardziej uniwersalnych i dokładniejszych narzędzi diagnostycznych.

Warto również zwrócić uwagę na znaczenie standardów i formatów danych w kontekście aplikacji głębokiego uczenia. Utrzymanie spójności w sposobie gromadzenia i przetwarzania danych jest kluczowe, aby móc efektywnie łączyć dane z różnych źródeł, np. z różnych centrów badawczych czy z różnych konfiguracji systemów. Przykładem może być inicjatywa, która ma na celu stworzenie wspólnych standardów wymiany danych między systemami obrazowania fotoakustycznego.

Jak wykorzystać odwracalnie przełączalne agenty kontrastowe w obrazowaniu fotoakustycznym (PAI)?

Obrazowanie fotoakustyczne (PAI) wykorzystuje ultradźwięki i światło, by uzyskać obrazy wysokiej rozdzielczości struktur biologicznych w głębokich warstwach ciała. Zastosowanie odpowiednich agentów kontrastowych w tym procesie jest kluczowe dla uzyskania dokładnych i wiarygodnych wyników. Jednym z najnowszych i najbardziej obiecujących rozwiązań są odwracalnie przełączalne agenty kontrastowe, w tym bacyterioftochromy (BPh), które umożliwiają wysoce precyzyjne obrazowanie tkanek i narządów.

Bacterioftochromy to światłoczułe białka, pochodzące z bakterii lub roślin, które dzięki swojej unikalnej zdolności przełączania się między stanem cis/trans, mogą oferować nowe możliwości w obrazowaniu. W odpowiedzi na promieniowanie w zakresie czerwonym lub bliskiej podczerwieni, zmieniają one swoje właściwości optyczne, co pozwala na tworzenie obrazów o niezwykle wysokim kontraście. Jedną z głównych zalet BPh jest ich zdolność do uzyskiwania sygnałów PA bez potrzeby zewnętrznego podawania chromoforów, ponieważ same mogą wiązać się z biliverdyną, chromoforem występującym naturalnie w komórkach ssaków. Dzięki temu można je stosować w żywych komórkach, co otwiera nowe perspektywy w badaniach nad procesami biologicznymi, takimi jak wzrost komórek, kancerogeneza czy interakcje białek.

W jednym z badań BPh wykorzystano do monitorowania procesu metastazy nowotworowej. U87, komórki rakowe, zostały zmodyfikowane genetycznie w celu ekspresji BPh, a następnie wstrzyknięte do lewego nerki szczura. Obrazowanie PA pozwoliło na uzyskanie wyraźnego obrazu guza, który był łatwo rozróżnialny od innych tkanek, dzięki odwracalnemu przełączaniu pomiędzy stanem "włączonym" i "wyłączonym" (naświetlanie 630 nm i 780 nm). Takie podejście umożliwiło znaczne zwiększenie kontrastu obrazu i poprawę jakości diagnostycznej, co jest niezwykle cenne w kontekście diagnostyki onkologicznej.

Dalsze badania z użyciem BPh pokazały jego zastosowanie do monitorowania rozwoju przerzutów nowotworowych w wątrobie myszy. Dzięki zastosowaniu różnicowania sygnałów uzyskanych w różnych długościach fal (670 nm i 755 nm), naukowcy byli w stanie uzyskać precyzyjne obrazy trójwymiarowe guza, dokładnie lokalizując granice zmiany nowotworowej oraz towarzyszące jej mikro-naczynia angiogenne. Obrazowanie różnicowe PA opierało się na dwufalowym podejściu, które umożliwiło uzyskanie jeszcze bardziej szczegółowych i wiarygodnych obrazów, uwidaczniając dynamiczny rozwój guza w czasie, w ciągu 28 dni po wszczepieniu komórek rakowych.

Zaletą tego podejścia jest możliwość długoterminowego śledzenia progresji nowotworów w organizmach żywych, co stwarza zupełnie nowe możliwości w badaniach nad onkologią, a także w innych dziedzinach medycyny, takich jak ocena procesów zapalnych czy monitorowanie terapii celowanej. Warto zaznaczyć, że BPh pozwalają na uzyskiwanie obrazów w głębszych warstwach tkanek, co w kontekście obrazowania in vivo jest istotną przewagą nad tradycyjnymi metodami.

Jednakże, mimo że zastosowanie BPh w obrazowaniu fotoakustycznym przynosi obiecujące wyniki, nie jest to rozwiązanie bez wyzwań. Kluczowym zagadnieniem pozostaje rozwój technologii umożliwiających precyzyjne kontrolowanie przełączania pomiędzy stanami, tak aby uzyskane obrazy były jak najbardziej wiarygodne i odzwierciedlały rzeczywisty stan badanego obiektu. Ponadto, opracowanie metod wprowadzania tych białek do żywych organizmów w sposób bezpieczny i skuteczny, stanowi kolejne wyzwanie, które musi zostać pokonane, aby ta technologia mogła stać się powszechnie stosowana w medycynie.

Jakie są wymagania idealnego fantomu dla zastosowań w obrazowaniu fotoakustycznym?

Fantomy fotoakustyczne pełnią szereg zadań w całym procesie translacyjnym technologii obrazowania, od wczesnych etapów rozwoju po codzienne użytkowanie. Ich głównym celem jest zapewnienie obiektywnej i ilościowej oceny wydajności technologii, ocena driftu w dokładności urządzenia, optymalizacja projektowania systemów (zarówno sprzętowego, jak i programowego), porównania między różnymi urządzeniami oraz przeprowadzanie testów, które wspierają ewaluację regulacyjną. Fantomy są używane także do szkoleń, demonstracji technicznych oraz testów do celów marketingowych. W zależności od przeznaczenia, fantom może zostać zaprojektowany w taki sposób, aby spełniał określone wymagania w zakresie właściwości optycznych, akustycznych i mechanicznych.

Idealne właściwości fantomu zależą od jego docelowego zastosowania. Fantomy wykorzystywane do testowania powtarzalności sygnału w czasie (fantomy precyzyjne) muszą charakteryzować się wysoką stabilnością czasową właściwości optycznych, akustycznych i mechanicznych oraz wysoką dokładnością wykonania. Z kolei fantomy wykorzystywane w celach szkoleniowych lub testowych (fantomy dokładnościowe) powinny jak najdokładniej odwzorowywać właściwości tkanek i odpowiednie geometrie (np. określone typy tkanek, patologie, gatunki) w sposób statyczny lub dynamiczny, by odwzorować oczekiwane sygnały.

Właściwości materiału powinny być stabilne w długim okresie (powyżej 6 miesięcy) i zapewniać trwałość w realistycznym zakresie temperatur (18–25 °C) i wilgotności (30–80%), co umożliwia ich wygodne przechowywanie w różnych warunkach klimatycznych. Ponadto, materiał musi charakteryzować się odpowiednią odpornością na transport w temperaturze od 4° do 40 °C, przy zachowaniu zasad transportu i przechowywania.

Idealny materiał fantomu powinien być dostępny w społeczności naukowej. Jeśli nie jest dostępny w stanie gotowym do produkcji u kilku standardowych dostawców materiałów naukowych, składniki (w tym numery CAS) i szczegółowy proces wytwarzania powinny być opublikowane i ogólnodostępne. Ważne jest, aby wykonać badania potwierdzające odtwarzalność procesu produkcji, najlepiej w badaniach wielośrodkowych, w celu zapewnienia szerokiej dostępności materiałów oraz uzyskania wymaganych właściwości z akceptowalnymi odchyleniami.

Właściwości optyczne i akustyczne fantomu w aplikacjach PAI (obrazowanie fotoakustyczne) muszą być biologicznie relewantne. W przypadku właściwości optycznych, materiał bazowy powinien charakteryzować się niskimi wartościami ekstynkcji, aby umożliwić regulację pod kątem różnych typów tkanek. Dla konkretnych aplikacji wartości te powinny zostać dostosowane, aby odzwierciedlały średnie właściwości optyczne tkanki/warunków biologicznych, które są przedmiotem badania. Wstawki docelowe powinny wykazywać odpowiedź fotoakustyczną w zakresie długości fali istotnej dla danej aplikacji.

Ważnym aspektem jest również unikanie fluorescencji lub innych nieliniowych zachowań optycznych, które mogą obniżyć efektywność konwersji fotoakustycznej. Kolejną istotną właściwością jest czynnik anizotropowości, który jest uwzględniony w zmniejszonym współczynniku rozpraszania (μs′ = μs(1 − g)) oraz wskaźnik refrakcji n. Idealny materiał fantomu powinien wykazywać rozpraszanie kierunkowe porównywalne do tkanek zainteresowanych, co skutkuje wartościami g > 0, oraz posiadać współczynnik refrakcji, który naśladuje tkanki miękkie, jeśli to możliwe.

Materiały fantomów powinny więc odwzorowywać właściwości optyczne i akustyczne tkanek docelowych, co jest kluczowe w kontekście dokładności obrazowania i możliwości przeprowadzania pomiarów opartego na odpowiednich modelach biomarkerów. Z tego powodu, właściwy dobór materiału jest fundamentem każdego badania z zakresu obrazowania fotoakustycznego.

Jak optyczne ultradźwięki mogą zrewolucjonizować diagnostykę medyczną?

W ostatnich latach technologia ultradźwiękowa doświadczyła istotnych przełomów, a jednym z obiecujących kierunków jest wykorzystanie efektu fotoakustycznego (PA) w połączeniu z laserowym źródłem światła. Dzięki zastosowaniu tego podejścia, znanego jako optyczne ultradźwięki (OpUS), możliwe stało się stworzenie nowej klasy urządzeń diagnostycznych, które łączą w sobie zalety tradycyjnych ultradźwięków oraz optyki. Jednak mimo wielu korzyści, jakie niesie ze sobą ta technologia, wiąże się także z wyzwaniami technologicznymi, które muszą zostać pokonane, aby mogła ona w pełni zrewolucjonizować medycynę.

Zaletą systemów OpUS jest także możliwość integracji różnych modalności obrazowania i terapii w jednym urządzeniu. Dzięki temu, lekarze mogą korzystać z multimodalnych narzędzi diagnostycznych, które umożliwiają bardziej wszechstronną ocenę stanu pacjenta. Ta funkcjonalność jest szczególnie istotna w przypadku bardziej złożonych interwencji medycznych, które wymagają jednoczesnego obrazowania oraz leczenia. Z kolei w tradycyjnych urządzeniach ultradźwiękowych piezoelektrycznych taka integracja często napotyka na trudności techniczne, co ogranicza zakres ich zastosowania.

Ważnym aspektem, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu mediów do generowania OpUS, jest relacja pomiędzy czasem trwania impulsu laserowego a czasem trwania fali ultradźwiękowej. Krótkie impulsy lasera prowadzą do generowania fal ultradźwiękowych o wyższej częstotliwości i szerszym paśmie, co z kolei przekłada się na wyższą rozdzielczość obrazowania. Jednakże, aby zachować optymalną wydajność, niezbędne jest spełnienie warunków dotyczących „ograniczenia cieplnego” oraz „ograniczenia naprężeń”. Oznacza to, że długość impulsu lasera musi być krótsza niż czas, w jakim medium absorbuje energię świetlną i przekłada ją na ciepło.

Odpowiedni dobór materiału, który będzie pełnił funkcję medium optycznego, jest kluczowy dla skuteczności procesu generowania ultradźwięków. Materiał taki powinien charakteryzować się wysokim współczynnikiem absorpcji światła oraz dużym współczynnikiem rozszerzalności objętościowej. Im większa objętość materiału rozszerza się pod wpływem absorpcji ciepła, tym większe ciśnienie ultradźwiękowe jest generowane, co umożliwia lepsze przenikanie fal przez tkanki. Istotną kwestią jest także odpowiednia grubość medium, ponieważ jeśli będzie ona zbyt mała, może dojść do utraty energii optycznej lub nawet uszkodzenia medium w wyniku nadmiernego nagrzania.

Warto również podkreślić, że jednym z wyzwań w technologii OpUS jest konieczność znalezienia balansu pomiędzy wysokim ciśnieniem ultradźwiękowym a szerokim pasmem częstotliwości. Z jednej strony, większe ciśnienie pozwala na uzyskanie głębszego obrazu, co jest kluczowe przy badaniach wewnętrznych struktur ciała, takich jak podczas biopsji czy operacji małoinwazyjnych. Z drugiej strony, szerokie pasmo częstotliwości jest niezbędne do uzyskania wysokiej rozdzielczości obrazów, co ma kluczowe znaczenie w diagnostyce precyzyjnej.

W kontekście materiałów używanych w technologii OpUS, dotychczas wykorzystywano metaliczne folie cienkowarstwowe, takie jak chrom, molibden czy aluminium. Metale te były wybierane ze względu na łatwość obróbki, dostępność oraz ich dobre właściwości optyczne i mechaniczne. Jednak wraz z rozwojem technologii, coraz częściej zwraca się uwagę na kompozyty, które mogą oferować lepszą wydajność w generowaniu ultradźwięków, zwłaszcza w kontekście bardziej zaawansowanych urządzeń do diagnostyki medycznej.

Należy pamiętać, że wybór materiału i konstrukcja systemu OpUS muszą uwzględniać również aspekt praktyczny, czyli możliwość łatwego zastosowania urządzenia w warunkach klinicznych. W tym kontekście, jedno z kluczowych zastosowań tej technologii to wprowadzenie sondy OpUS bezpośrednio do instrumentów chirurgicznych, co pozwala na minimalizowanie odległości między źródłem ultradźwięków a badaną tkanką. To z kolei zwiększa dokładność obrazowania i umożliwia głębsze penetracje tkanek, co jest niezwykle istotne w kontekście operacji lub interwencji wewnętrznych.

Jak parametry detektorów ultradźwiękowych wpływają na obrazowanie fotoakustyczne?

W przypadku obrazowania fotoakustycznego (PAI), wybór detektora ultradźwiękowego jest kluczowym czynnikiem, który wpływa na jakość uzyskiwanych obrazów i dokładność pomiarów. Zrozumienie tego, jak różne parametry detektorów wpływają na jakość sygnału PA, pozwala na lepsze projektowanie systemów PAI oraz optymalizację detekcji sygnałów akustycznych.

Wrażliwość detektora jest również istotnym parametrem, który wpływa na jakość sygnału PA. Wartość ta zależy od poziomu szumów detektora, który określa się w jednostkach ciśnienia i wyraża przez tzw. ciśnienie równoważne szumów (NEP). Sygnał PA, który odbija się od powierzchni tkanek, jest zwykle bardzo słaby, zwłaszcza ten pochodzący z głębszych warstw. W związku z tym detektor musi charakteryzować się bardzo wysoką czułością, w zakresie ciśnienia na poziomie Pa lub sub-Pa, aby móc wykrywać słabe sygnały.

Kolejnym kluczowym aspektem jest rozmiar detektora. Mniejsze detektory pozwalają na uzyskanie wyższej rozdzielczości przestrzennej i większej kompaktowości systemu, ale mają jednocześnie mniejszą czułość, ponieważ ich aktywna powierzchnia jest mniejsza. Istnieją jednak technologie, które umożliwiają miniaturyzację detektorów, jak np. detektory optyczne, które w ostatnich latach zdobyły dużą popularność w wykrywaniu sygnałów PA. Na przykład, detektory optyczne oparte na włóknach optycznych mogą zmniejszyć powierzchnię detekcji do 0,13 × 0,27 mm, zachowując przy tym wysoką czułość (100 Pa NEP) i szeroką przepustowość (77 MHz). Takie rozwiązania mogą mieć ogromne znaczenie w minimalnie inwazyjnych procedurach medycznych, takich jak endoskopia czy badanie małych struktur pustych.

Warto także zauważyć, że detektory ultradźwiękowe oparte na piezoelektrycznych elementach przekształcają sygnały elektryczne w fale ultradźwiękowe i odwrotnie. W obrazowaniu PA piezoelektryczne transduktory pełnią funkcję odbiorników sygnałów PA, nie zaś nadajników. Zastosowanie materiałów piezoelektrycznych, takich jak azotki i tlenki metali, umożliwia miniaturyzację urządzeń detekcyjnych, co ma ogromne znaczenie w systemach PA. Nowoczesne techniki wytwarzania filmów piezoelektrycznych, takie jak napylanie azotku glinu czy osadzanie ferroelektrycznych filmów tytanowo-zirconowych (PZT), umożliwiają stosowanie tych materiałów w mikrosystemach detekcyjnych.

W przypadku detektorów ultradźwiękowych istotne jest również unikanie blokowania dostępu światła do obszaru detekcji. Przykładem skutecznej metody jest stosowanie akustyczno-optycznych pryzmatów, które umożliwiają koaksjalne prowadzenie światła i sygnałów akustycznych. Takie rozwiązanie, mimo że skuteczne, może prowadzić do spadku prędkości zbierania danych oraz zmniejszenia pola widzenia. Dlatego konieczne jest ciągłe poszukiwanie nowych metod, które minimalizują te ograniczenia.

Dzięki takiej wiedzy na temat detektorów ultradźwiękowych i ich właściwości, można skutecznie dobierać odpowiednie rozwiązania do różnych zastosowań w obrazowaniu PA, biorąc pod uwagę takie czynniki jak głębokość penetracji, rozdzielczość przestrzenną, czy czułość systemu. Wszystkie te elementy są niezbędne, aby uzyskać dokładne i wiarygodne wyniki w diagnostyce medycznej oraz innych dziedzinach nauki i przemysłu.