Współczesne technologie czujników ultradźwiękowych oparte na fotonice krzemowej oferują wyjątkową precyzję i miniaturyzację, co sprawia, że są one coraz częściej stosowane w różnych dziedzinach medycyny, nauki oraz technologii. Kluczowym elementem takich czujników są mikroringi rezonatorowe, które umożliwiają wykrywanie fal ultradźwiękowych poprzez modulację właściwości optycznych materiału pod wpływem tych fal. Zastosowanie tych technologii w praktycznych aplikacjach, takich jak obrazowanie fotoakustyczne (PAI) czy tomografia fotoakustyczna (PAT), wymaga jednak precyzyjnego zarządzania wieloma elementami czujnikowymi, a także efektywnego sposobu ich wzajemnej współpracy.

W tradycyjnych systemach czujników ultradźwiękowych, takich jak interferometr Fabry-Pérota, każde z elementów czujnikowych jest w pełni zależne od zewnętrznych urządzeń, takich jak matryce fotodetektorów, co wiąże się z wyższą złożonością systemu i ryzykiem wystąpienia zakłóceń crosstalk. Tego typu rozwiązania są również trudne do zaimplementowania w systemach wymagających dużej liczby czujników, ponieważ wiążą się z koniecznością użycia wielu źródeł światła i detektorów. Z tego powodu w 2008 roku zaprezentowano pierwszy zintegrowany czujnik oparty na mikroringach, który zawierał cztery elementy. Niestety, wówczas jakość rezonatorów była stosunkowo niska, a ich widma rezonansowe nakładały się na siebie, co uniemożliwiało jednoczesne działanie wszystkich czujników. Dopiero w 2021 roku, dzięki postępom w fotonice krzemowej i zastosowaniu mikroringów o wysokiej jakości, udało się opracować system, w którym dziesięć mikroringów pracowało na oddzielnych częstotliwościach, umożliwiając skuteczniejsze działanie czujnika.

Pomimo że pojedynczy system wykorzystywał tylko jedno źródło lasera i jeden detektor, co ograniczało jego możliwości, naukowcy przewidywali, że zastosowanie podziału długości fal (wavelength division multiplexing, WDM) w przyszłości umożliwi równoległe przesyłanie sygnałów z wielu czujników. Współczesne badania poszły jednak o krok dalej, wykorzystując cyfrowe zestawy komórek optycznych (DOFC), które umożliwiają bardziej precyzyjne zarządzanie wieloma czujnikami jednocześnie. DOFC oferują subtelną strukturę, która pozwala na wysoką rozdzielczość pomiarów w domenie częstotliwości, co czyni je doskonałym narzędziem do detekcji fal ultradźwiękowych. Tego typu podejście znacząco upraszcza procesy detekcji i daje możliwość jednoczesnej pracy wielu mikroringów w jednym układzie, eliminując wiele dotychczasowych ograniczeń związanych z crosstalkiem i złożonością systemu.

Dzięki takim innowacjom możliwe stało się zrealizowanie eksperymentalnego układu, w którym użyto zestawu 15 mikroringów, połączonych z jednym przewodem światłowodowym przy użyciu materiałów chalcogenidowych. Ten system pozwolił na uzyskanie bardzo szerokiego pasma częstotliwości, do 175 MHz, co w połączeniu z małym rozmiarem czujników (0.85 × 40 × 40 μm³) stwarza ogromne możliwości w zakresie miniaturyzacji urządzeń i zwiększenia ich wydajności.

Najnowsze badania wykazały, że zastosowanie cyfrowych komórek optycznych w detekcji ultradźwiękowej pozwala na uzyskanie wysoce stabilnego, elastycznego i tunowalnego systemu detekcji. Przykładem może być eksperymentalna konfiguracja, która obejmowała ciągły promień lasera z wąską szerokością pasma, co pozwalało na precyzyjne badanie widma transmisyjnego całego zestawu czujników w czasie rzeczywistym. W momencie, gdy obecność fal ultradźwiękowych zmieniała właściwości optyczne mikroringów, możliwe było wykrycie zmiany widma transmisyjnego i śledzenie zmian w czasie, co umożliwiało dokładną lokalizację i czasowe odwzorowanie sygnału akustycznego.

Innowacje te znajdują szerokie zastosowanie w obrazowaniu fotoakustycznym, w tym w takich dziedzinach jak endoskopia czy mikroskopia. Dla przykładu, rozwój miniaturowych sond fotoakustycznych, takich jak sondy endoskopowe do oceny nowotworów prostaty i jelita grubego, stanowi obiecującą przyszłość w medycynie. Oparte na mikroringach systemy czujników ultradźwiękowych pozwalają na uzyskanie precyzyjnych trójwymiarowych obrazów struktur biologicznych, co może mieć kluczowe znaczenie w diagnostyce i interwencjach medycznych.

Ważne jest, aby zrozumieć, że rozwój tej technologii, mimo imponujących postępów, nadal napotyka na wyzwania związane z dalszym doskonaleniem jakości materiałów wykorzystywanych do produkcji mikroringów oraz zapewnieniem odpowiedniej stabilności i odporności systemów w trudnych warunkach operacyjnych. Ponadto, chociaż systemy oparte na mikroringach i cyfrowych zestawach komórek optycznych oferują wyraźne zalety, takich rozwiązań nie można jeszcze powszechnie stosować w każdych warunkach – szczególnie w przypadku obrazowania głębokich tkanek lub przy bardzo dużych prędkościach pomiarowych. Należy więc śledzić dalszy rozwój tej technologii, która w przyszłości może zrewolucjonizować wiele dziedzin medycyny i nauki.

Jak Technologia Niskiej Przesłony Fototermicznej Zmienia Obrazowanie Skóry i Nowotworów

Fototermiczne obrazowanie skóry, szczególnie w kontekście technologii fotopulsacyjnej (PA), staje się coraz bardziej precyzyjne i efektywne. Zastosowanie różnych częstotliwości w tej technologii, jak 100 MHz (RSOM100) i 50 MHz (RSOM50), pozwala na uzyskanie znacznie różniących się wyników w obrazowaniu skóry. W szczególności, obrazy uzyskane przy pomocy RSOM50 pozwalają na ujawnienie szczegółów takich jak naczynia w warstwie siateczkowej skóry i głębokie sploty poziome, które nie są widoczne przy niższej częstotliwości 100 MHz. Z kolei, wyższa częstotliwość zapewnia lepszą rozdzielczość, co pozwala na dokładniejsze zobrazowanie powierzchni skóry i brodawek skórnych, w tym wyraźne rozróżnienie pętli kapilarnych, które pozostają niewidoczne w obrazie uzyskanym przy niższej częstotliwości.

Zaletą tej technologii jest także możliwość obrazowania w warunkach rzeczywistych z niemal zerowym poziomem szumów tła, co pozwala na uzyskanie wyjątkowego kontrastu. Zastosowanie takich technologii w medycynie jest nieocenione, szczególnie w diagnostyce chorób skóry, w tym rozwoju raka skóry, w tym czerniaka. Dzięki odpowiedniemu segmentowaniu obrazów można oddzielić strukturę naczyniową od innych komponentów skóry, co ułatwia dokładniejszą analizę. Mimo że melaninowe struktury mogą zachodzić na naczynia krwionośne, ich różna morfologia sprawia, że oddzielenie tych dwóch elementów jest stosunkowo łatwe.

Kolejną istotną zaletą PA jest możliwość precyzyjnego obrazowania procesów komórkowych w skali mikro, co pozwala na wnikliwe badanie mechanizmów biologicznych i funkcji genów. Takie podejście umożliwia wizualizację subkomórkowych struktur, takich jak jądra czy cytoplazma, a także ocenę biomechanicznych właściwości pojedynczych komórek. Technologia ta, wykorzystująca zarówno endogenne chromofory, jak i egzogenne środki kontrastowe, pozwala na uzyskanie obrazu komórki w jej naturalnym stanie, co jest szczególnie cenne w badaniach nad chorobami nowotworowymi, jak np. czerniak.

W kontekście wykrywania raka skóry, w tym czerniaka, technologia PA pozwala na szczegółową wizualizację nie tylko samego guza, ale także otaczających go naczyń krwionośnych, co ma kluczowe znaczenie dla monitorowania rozwoju nowotworu i jego przerzutów. Dzięki zastosowaniu różnych długości fal, możliwe jest wyodrębnienie melaniny i hemoglobiny, co pozwala na dokładne określenie struktury nowotworu i jego otoczenia, a także na lepszą ocenę głębokości guza. Warto zaznaczyć, że światło widzialne, choć skuteczne w przypadku wielu typów tkanek, nie jest w stanie skutecznie penetrować tkanek zawierających dużą ilość melaniny, jak ma to miejsce w przypadku czerniaka. W tym kontekście technologia PA, opierająca się na świetle bliskiej podczerwieni, wykazuje ogromne możliwości, ponieważ ta długość fali jest znacznie mniej absorbowana przez melaninę i krew, co umożliwia głębsze penetrowanie tkanek.

Ostatnie osiągnięcia technologiczne pozwalają także na wykorzystanie PA do obrazowania w czasie rzeczywistym procesów zachodzących w komórkach nowotworowych, jak zmiany w metabolizmie tlenowym. Systemy metaboliczne PA (mPAM), które pozwalają na pomiar szybkości metabolizmu tlenu, stanowią nową, obiecującą metodę wczesnej diagnostyki czerniaka i innych nowotworów skóry. Badania te mogą również umożliwić wyraźniejsze rozróżnienie między guzem pierwotnym a przerzutami, dzięki czemu możliwe będzie bardziej precyzyjne ustalanie planu leczenia.

Technologia PA znajduje również zastosowanie w nowoczesnych robotach mikroskalowych, które mogą być śledzone w ciele pacjenta. Mikroroboty, które podróżują przez naczynia krwionośne, stają się coraz bardziej obiecującym narzędziem w medycynie, szczególnie w zakresie minimalnie inwazyjnych zabiegów. Fototermiczne obrazowanie PA, dzięki swojej wysokiej rozdzielczości i kontrastowi optycznemu, staje się idealnym narzędziem do śledzenia takich mikrorobotów w organizmach żywych. Do tej pory udało się już uzyskać wyraźne obrazy mikroskalowych kapsułek zawierających mikroroboty, a także śledzić pojedyncze mikroroboty w krwiobiegu. Rozwiązanie to może w przyszłości zrewolucjonizować sposób, w jaki przeprowadzane są precyzyjne zabiegi w ciele pacjenta.

Istotnym elementem tej technologii jest jej zdolność do bezinwazyjnego monitorowania procesów wewnątrz organizmu, co może mieć ogromne znaczenie dla przyszłości medycyny, szczególnie w diagnostyce chorób nowotworowych i chorób skóry.

Jakie są najnowsze osiągnięcia w systemach tomografii fotoakustycznej?

Tomografia fotoakustyczna (PACT) jest nowoczesną techniką obrazowania, która łączy światło i ultradźwięki w celu uzyskania obrazów wewnętrznych struktur ciała. Proces rekonstruowania obrazów PACT oparty jest na sygnałach akustycznych generowanych przez różnice w pochłanianiu światła przez tkanki w odpowiedzi na impulsy optyczne. Dzięki tej metodzie uzyskiwane są mapy ciśnienia (lub mapy pochłaniania), które stanowią bardzo dokładny obraz struktury tkanek. W ostatnich latach, przy pomocy metod głębokiego uczenia, uzyskano znaczne postępy w poprawie jakości tych map, zwiększając precyzję, szybkość oraz rozdzielczość obrazów, a także minimalizując występowanie artefaktów.

Rozdzielczość tomografii fotoakustycznej wynosi zaledwie kilkaset mikronów, a głębokość penetracji obrazu może sięgać kilku centymetrów, co czyni tę metodę użyteczną w obrazowaniu małych zwierząt oraz w zastosowaniach klinicznych. Jednym z kluczowych aspektów PACT jest sposób, w jaki są skonstruowane poszczególne systemy obrazowania, które różnią się w zależności od rodzaju zastosowanych transduktorów. Wyróżnia się tu transduktory jednoelementowe (SET), zakrzywione, liniowe, planarne oraz sferyczne. Każdy typ transduktora ma swoje specyficzne zastosowanie, dostosowane do różnych potrzeb klinicznych i badawczych.

Początkowo systemy PACT były oparte na pojedynczych transduktorach, które umożliwiały uzyskanie obrazów poprzez rotację wokół badanego obiektu. W takim systemie wykorzystywano lasery barwnikowe lub lasery Q-switch, których celem było uzyskanie odpowiednio skoncentrowanego strumienia światła o niskiej energii. Wysoka czułość ultradźwiękowych transduktorów pozwalała na uchwycenie fal akustycznych generowanych w tkankach, które były następnie przetwarzane przez algorytmy rekonstrukcji, takie jak projekcja lub rekonstruowanie w dziedzinie częstotliwości. Systemy te, mimo że były skuteczne w badaniach nad małymi zwierzętami, charakteryzowały się dość dużymi wymiarami i czasochłonnością, z pełnym skanowaniem trwającym nawet do 16 minut.

Z biegiem czasu wprowadzono usprawnienia, które poprawiły zarówno prędkość, jak i jakość obrazów. Jednym z takich rozwiązań było wprowadzenie systemu ciągłego skanowania, w którym transduktor obracał się w sposób ciągły, co pozwalało na skrócenie czasu skanowania i zmniejszenie ekspozycji na promieniowanie. W ramach tych ulepszeń do oświetlania zastosowano diody laserowe o wysokiej częstotliwości powtórzeń impulsów, co pozwoliło na uzyskanie równie wysokiej jakości obrazów przy mniejszych wymaganiach dotyczących energii. Wprowadzono także systemy PACT oparte na diodach LED, które okazały się przydatne w przypadku stosunkowo tanich i kompaktowych aplikacji klinicznych, wymagających niskiej mocy źródła światła.

Najnowsze systemy PACT, takie jak drugiej generacji systemy z wieloma transduktorami SET, pozwalają na uzyskanie obrazów z bardzo wysoką rozdzielczością, na poziomie 165 μm, co jest niezwykle przydatne w obrazowaniu dynamicznym w czasie rzeczywistym, np. do monitorowania procesów biologicznych, takich jak wypłukiwanie barwnika z organizmu. Użycie wielu transduktorów umożliwia również zwiększenie szybkości skanowania, umożliwiając rejestrowanie obrazów w czasie rzeczywistym, co jest istotne w diagnostyce medycznej.

Równocześnie rozwój oprogramowania opartego na algorytmach głębokiego uczenia przyczynił się do znacznej poprawy jakości obrazów uzyskiwanych w tomografii fotoakustycznej. Te algorytmy potrafią efektywnie usuwać szumy oraz inne artefakty, co jeszcze bardziej zwiększa precyzję obrazowania.

Aby jednak w pełni docenić potencjał PACT, ważne jest, aby zrozumieć, jak różne typy transduktorów wpływają na wyniki obrazowania. Transduktory jednoelementowe, mimo swojej prostoty i szerokiego zastosowania, mają ograniczoną możliwość uchwycenia szczegółowych struktur w porównaniu do bardziej zaawansowanych systemów opartych na transduktorach o większej liczbie elementów. Warto także zwrócić uwagę na znaczenie źródła światła, które ma kluczowy wpływ na jakość uzyskanych obrazów – na przykład diody LED, mimo że tańsze i łatwiejsze w zastosowaniu, mogą oferować mniejszą intensywność sygnału w porównaniu do tradycyjnych laserów.

Aby systemy PACT mogły znaleźć szerokie zastosowanie w medycynie, wciąż istnieje konieczność dalszego rozwoju w zakresie miniaturyzacji urządzeń, poprawy komfortu pacjenta oraz integracji z innymi metodami diagnostycznymi, takimi jak tomografia komputerowa (CT) czy rezonans magnetyczny (MRI). Kluczowe jest również opracowanie łatwiejszych w użyciu interfejsów, które umożliwią sprawną obsługę urządzeń przez lekarzy i techników.

Jakie są zalety różnych konfiguracji endoskopii fotoakustycznej?

Endoskopia fotoakustyczna (PAE) to technika diagnostyczna, która łączy w sobie moc obrazowania optycznego i ultradźwiękowego, umożliwiając uzyskanie szczegółowych informacji na temat struktury tkanek, które mogą być trudne do uchwycenia przy użyciu innych metod obrazowania. Dzięki postępom w technologii, techniki skanowania endoskopów fotoakustycznych są nieustannie udoskonalane, co prowadzi do poprawy jakości obrazów, prędkości działania oraz ogólnej wydajności tych urządzeń. Istnieją różne konfiguracje endoskopów fotoakustycznych, które różnią się w zależności od ich przeznaczenia i specyficznych aplikacji klinicznych. W tym kontekście ważnym zagadnieniem jest analiza dwóch głównych konfiguracji: widoku bocznego i widoku przedniego.

W konfiguracji widoku bocznego, główną rolę odgrywa zintegrowana sonda obrazowa z zespołem przetworników umieszczonych na boku urządzenia [5, 10, 23, 26–28]. Ta konfiguracja umożliwia uzyskanie obrazów w przekroju poprzecznym, co dostarcza cennych informacji na temat struktury tkanek i ewentualnych nieprawidłowości znajdujących się pod powierzchnią. W urządzeniach fotoakustycznych o widoku bocznym, przetworniki są umieszczone strategicznie po bokach sondy obrazowej, aby wykrywać fale fotoakustyczne generowane w tkankach. Otrzymane sygnały są następnie przetwarzane i wykorzystywane do rekonstrukcji obrazów przekrojowych tkanek. Tego typu konfiguracja jest szczególnie przydatna w diagnostyce chorób przewodu pokarmowego, takich jak rak jelita grubego, guzy żołądka oraz zapalne choroby jelit. Dzięki niej możliwe jest dokładne badanie warstw błony śluzowej i podśluzowej, co pozwala na wczesne wykrycie chorób oraz precyzyjne określenie ich stopnia zaawansowania. W zastosowaniach naczyniowych, endoskop fotoakustyczny w konfiguracji bocznej może zostać użyty do wizualizacji wnętrza naczyń krwionośnych, umożliwiając wykrywanie podatnych na uszkodzenia blaszek miażdżycowych oraz prowadzenie interwencji, takich jak angioplastyka czy umieszczanie stentów.

Z kolei konfiguracja widoku przedniego, w której elementy obrazujące i przetworniki są umieszczone na końcu endoskopu, pozwala na bezpośrednią wizualizację tkanek znajdujących się przed urządzeniem [32–36]. Dzięki tej konfiguracji możliwe jest uzyskanie obrazów w czasie rzeczywistym, umożliwiając lekarzowi dokładną ocenę struktur tkanek w obrębie badanego obszaru. W endoskopach fotoakustycznych z widokiem przednim, elementy obrazujące oraz przetworniki są zminiaturyzowane i umieszczone na końcu endoskopu, co pozwala na precyzyjne oświetlenie tkanek światłem laserowym i wykrywanie powstałych fal fotoakustycznych. Endoskopia fotoakustyczna w widoku przednim jest wykorzystywana m.in. w urologii do wizualizacji wnętrza układu moczowego, co umożliwia wykrywanie guzów pęcherza moczowego oraz monitorowanie innych stanów urologicznych.

Wszystkie te konfiguracje mają swoje charakterystyczne zalety, ale także ograniczenia, w zależności od specyficznych potrzeb klinicznych. Wybór odpowiedniej konfiguracji zależy od rodzaju tkanki lub narządu, który ma zostać poddany badaniu. W przypadku chorób przewodu pokarmowego i naczyniowych bardziej odpowiednia będzie konfiguracja boczna, natomiast w diagnostyce narządów takich jak układ moczowy, gdzie ważne jest uzyskanie obrazu z przodu, preferowana będzie konfiguracja przednia.

Kolejnym istotnym zagadnieniem w kontekście endoskopii fotoakustycznej są urządzenia, które łączą różne technologie obrazowania. Na przykład, urządzenia łączące fotoakustyczną mikroskopię (ORPAM) z optyczną tomografią koherentną (OCT) stają się coraz bardziej popularne. Przykładem jest miniaturowa sonda o średnicy 2,3 mm, która integruje ORPAM z OCT. Tego rodzaju urządzenie jest zaprojektowane tak, aby mogło być łatwo wprowadzone podczas standardowych badań endoskopowych. Sonda ta posiada zintegrowane źródła światła dla obu technologii (OCT i ORPAM), co pozwala na uzyskanie obrazów mikroskalowych i makroskalowych jednocześnie, zapewniając pełniejszy obraz badanego obszaru. Przykładem zastosowania tej technologii może być obrazowanie ucha myszy, gdzie ORPAM jest skuteczny w lokalizacji mikronaczyń, a OCT dostarcza wysokiej rozdzielczości obrazy gruczołów łojowych i warstw skóry. Zintegrowane urządzenie daje możliwość uzyskania zarówno obrazów mikrokrążenia, jak i szczegółowych przekrojów tkankowych.

Mimo swoich niewątpliwych zalet, tego typu urządzenia mogą mieć pewne ograniczenia, takie jak niższy stosunek sygnału do szumu (SNR), który może wpływać na jakość obrazów w niektórych przypadkach. Takie zmniejszenie SNR wynika z zastosowania mniej wydajnych przetworników ultradźwiękowych (w tym przypadku o częstotliwości 10 MHz) oraz zastosowania układów przetworników, które nie są tak skoncentrowane jak te stosowane w tradycyjnych urządzeniach ORPAM. Te problemy są jednak często rozwiązywane poprzez odpowiednią kalibrację urządzeń oraz dalszy rozwój technologii.

Na przyszłość kluczowe będzie dalsze ulepszanie technologii fotoakustycznych, szczególnie pod kątem miniaturyzacji urządzeń oraz poprawy jakości uzyskiwanych obrazów. Dzięki tym postępom, endoskopia fotoakustyczna może stać się bardziej wszechstronnym narzędziem diagnostycznym, umożliwiającym szybsze, bardziej precyzyjne wykrywanie i monitorowanie chorób, co ma ogromne znaczenie dla współczesnej medycyny.

Jak określić okresowość funkcji matematycznych?
Jakie wyzwania etyczne wiążą się z fuzją danych multimodalnych w erze głębokiego uczenia?
Jak reklama w latach 20. XX wieku kształtowała nowoczesny rynek książek i technologii
Jak działa komenda cat w systemie Unix i jej zastosowania w programowaniu
Jak analiza funkcji zetowej wpływa na rozkład liczb pierwszych?