W niniejszym badaniu opracowano po raz pierwszy instrumentację umożliwiającą obrazowanie próbek o dużych objętościach (na przykład wielkości piersi) przy użyciu hybrydowego obrazowania fotoakustycznego (PAT) i tomografii ultradźwiękowej (USCT). Do generowania ultradźwięków w USCT wykorzystano specjalnie zaprojektowane źródła LIUS (low-intensity ultrasound sources), które charakteryzują się częstotliwością zbliżoną do sygnałów fotoakustycznych, co umożliwia lepsze dopasowanie do pojedynczego, zoptymalizowanego detektora.

Pomimo że urządzenie obrazujące w obecnej formie jest prototypem, a nie technologią gotową do zastosowania, zapewnia to szereg interesujących wniosków. Zebrane dane, choć czasochłonne, pokazują, jak wybór odpowiedniego modelu prędkości dźwięku może wpływać na jakość rekonstruowanych obrazów fotoakustycznych. Przeprowadzone eksperymenty wykazały, że obrazowanie przy użyciu mapy prędkości dźwięku daje wyniki o wyższej jakości, gdy porówna się je do innych metod rekonstrukcji.

Prędkość dźwięku w tkaninie ma istotny wpływ na wyniki obrazowania. Dla detektorów z lens-equipped, zmiana modelu prędkości dźwięku z jednolitego na dwuspektralny niewielki wpływ miała na stosunek sygnału do szumu (SNR) dla większości włókien, z wyjątkiem W1, gdzie SNR spadł o współczynnik 4,4. Natomiast przy detektorze płaskim, SNR dla W2 i W3 wzrosły nieznacznie, natomiast dla W1 spadły. Mimo tego, obrazy uzyskane z mapą prędkości dźwięku zawsze wykazywały wyższy SNR niż obrazy uzyskane z innych modeli.

Większość detektorów, które zostały zastosowane w badaniach, wykazała wyższą jakość obrazów uzyskanych dzięki zastosowaniu mapy prędkości dźwięku. Jednym z istotniejszych wniosków jest to, że pomimo iż można uzyskać podobną jakość obrazów lokalnie przy każdym z podejść rekonstrukcji, to rekonstrukcja oparta na mapie prędkości dźwięku zapewnia bardziej spójną jakość na całym obrazie.

Różnice między detektorami płaskimi a tymi wyposażonymi w soczewki również mają znaczenie, szczególnie w kontekście FWHM (pełnej szerokości połowy maksimum), gdzie detektory płaskie pozwalają uzyskać mniejsze wartości, co odpowiada niższej częstotliwości centralnej i pasmu detektora z soczewką. Dodatkowo, w przypadku obrazowania opartego na LIUS-CT, projektowanie systemu z większą liczbą detektorów w konfiguracji krzywoliniowej pozwoliłoby na znaczną redukcję czasu obrazowania, dzięki mniejszej liczbie pozycji wymaganych dla każdego projektu.

Wprowadzenie systemów z wyższą częstotliwością powtórzeń lasera oraz systemów z wyższym współczynnikiem akwizycji DAC umożliwiłoby szybsze obrazowanie PAT, co pozwalałoby na ciągłą rotację skanera. Choć obecna prędkość akwizycji jest wystarczająca do obrazowania próbek, w przyszłości warto rozważyć zastosowanie systemów 3D w obu typach detektorów, co mogłoby doprowadzić do uzyskania obrazów o lepszej rozdzielczości.

Aby poprawić rozdzielczość w obrazowaniu LIUS-CT, interesującą opcją mogłoby być ograniczenie emitowanego pola LIUS do interesującej nas płaszczyzny obrazowania, co mogłoby zostać osiągnięte przez zmianę kształtu punktu oświetlenia na bardziej liniowy lub eliptyczny. W ten sposób można by zmniejszyć odbicia poza płaszczyzną i wyeliminować potrzebę skanowania osiowego w trybie odbicia.

Ponadto, w przypadku zdjęć tomograficznych w trybie odbicia, uzyskano kontrast −4,3 dB między różnymi materiałami w próbie, co pozwala na uzyskanie rozdzielczości rzędu kilku milimetrów. Obrazy z użyciem mapy prędkości dźwięku zapewniają wyraźnie lepszą jakość niż obrazy uzyskane przy zastosowaniu innych metod rekonstrukcji. Takie podejście pokazuje potencjał dla dalszego rozwoju systemu w kierunku pełnego obrazowania 3D dla oceny różnych konfiguracji pomiarowych w obrazowaniu PAT i LIUS-CT bardziej złożonych fantomów piersiowych.

Zastosowanie bardziej zaawansowanych metod optymalizacji systemów obrazowania, takich jak zmiana geometrii detektorów, wykorzystanie detektorów o większej liczbie elementów czy udoskonalenie techniki źródeł LIUS, z pewnością przyczyni się do dalszego rozwoju tej technologii. Szczególnie ważnym kierunkiem rozwoju jest skrócenie czasu akwizycji przy zachowaniu wysokiej jakości obrazów, co może umożliwić szersze zastosowanie tej technologii w praktyce medycznej.

Jakie korzyści niesie ze sobą rozwój technologii obrazowania opto-ultradźwiękowego w chirurgii minimalnie inwazyjnej?

Rozwój chirurgii minimalnie inwazyjnej (MIS) zrewolucjonizował współczesną medycynę, oferując pacjentom mniejsze rany, szybszy powrót do zdrowia i mniejsze ryzyko powikłań pooperacyjnych. Jednak pomimo wielu korzyści, jakie niesie ze sobą ta technika, jej wdrożenie wiąże się z istotnymi wyzwaniami związanymi z ograniczeniem pola widzenia i precyzji chirurgicznych narzędzi. W odpowiedzi na te trudności rozwijają się nowe technologie obrazowania, w tym generowanie ultradźwięków w sposób optyczny (OpUS), które stają się kluczowe w kontekście poprawy nawigacji obrazowej w czasie rzeczywistym.

OpUS wykorzystuje technologię optyczną do generowania ultradźwięków o szerokim paśmie częstotliwości, co umożliwia obrazowanie w wysokiej rozdzielczości na głębokościach tkanek istotnych klinicznie, przy minimalnej inwazyjności. Dzięki zastosowaniu optycznych powłok lub cienkowarstwowych filmów absorbujących oraz pobudzenia laserowego, możliwe staje się uzyskanie obrazów ultradźwiękowych w czasie rzeczywistym, przy wykorzystaniu urządzeń miniaturowych. W porównaniu z tradycyjnymi metodami obrazowania, które wymagają użycia promieniowania jonizującego, takie podejście jest mniej obciążające dla pacjenta i personelu medycznego.

W kontekście badań nad OpUS istotnym elementem stały się materiały kompozytowe oparte na nanocząstkach węglowych i innych nanomateriałach, które okazały się optymalne do generowania ultradźwięków. Nanocompozyty te charakteryzują się wysoką wydajnością, a ich właściwości optyczne i mechaniczne pozwalają na generowanie silnych fal ultradźwiękowych, co z kolei poprawia jakość obrazowania. Ponadto, stworzenie zaawansowanych modelów pacjentów, opartych na materiałach imitujących tkanki ludzkie, umożliwia szczegółową charakterystykę urządzeń OpUS w warunkach symulujących rzeczywiste przypadki kliniczne. Tego typu modele są niezwykle przydatne w procesie szkolenia personelu medycznego.

Z kolei dalsze badania dotyczące obrazowania przy użyciu włókien światłowodowych i wielomodalnych technik obrazowania, w tym tomografii optoakustycznej, pozwalają na uzyskiwanie wysokiej jakości obrazów w czasie rzeczywistym. Technologie takie, jak cyfrowa holografia przyspieszona przez procesory graficzne (GPU), umożliwiają bardziej precyzyjne formowanie wiązki w systemach światłowodowych, co przekłada się na poprawę jakości obrazów. Zastosowanie sztucznej inteligencji, w tym głębokiego uczenia, w procesie przetwarzania obrazów, pozwala na znaczne przyspieszenie diagnostyki, poprawiając dokładność oraz wydajność obrazowania w czasie rzeczywistym.

Jednakże, choć rozwój technologii OpUS oferuje obiecujące możliwości, wiąże się również z pewnymi wyzwaniami. Ograniczenia związane z głębokością penetracji fal ultradźwiękowych w niektóre tkanki, konieczność dalszego udoskonalania jakości materiałów kompozytowych i sprzętu optycznego oraz integracja tych technologii w już istniejących systemach obrazowania, stanowią istotne obszary wymagające dalszych badań.

Warto dodać, że jednym z kluczowych elementów sukcesu technologii OpUS jest jej potencjał w kontekście chirurgii precyzyjnej. Dzięki tej metodzie, możliwe jest uzyskanie obrazów z bardzo wysoką rozdzielczością, co pozwala na lepszą wizualizację struktur tkanek wewnętrznych, a tym samym dokładniejsze prowadzenie interwencji chirurgicznych. W połączeniu z innymi technikami obrazowania, takimi jak MRI czy tomografia komputerowa, OpUS może stanowić cenny element w procesie diagnostycznym i terapeutycznym, w tym w leczeniu nowotworów, gdzie precyzyjne usunięcie guza jest kluczowe.

Jednakże technologia ta nie jest jeszcze w pełni rozwinięta i wymaga dalszych prac nad optymalizacją urządzeń oraz ich integracją w standardowych procedurach medycznych. Zatem, choć OpUS obiecuje rewolucję w obrazowaniu medycznym, jej pełne wdrożenie wymaga czasu, dalszych badań i testów klinicznych, które pozwolą na potwierdzenie jej skuteczności i bezpieczeństwa w szerszym zastosowaniu klinicznym.

Jakie są wyzwania i metody rejestracji obrazów hiperspektralnych w różnych zakresach spektralnych?
Dlaczego orientalne dywany nie pasują do zachodnich wnętrz?
Jak wykorzystać istniejące rurociągi gazu ziemnego do transportu wodoru?
Jakie są charakterystyki histologiczne i radiologiczne zmian niechordomatycznych w obrębie kości klinowej?