Systemy fotoakustycznego obrazowania (PACT) wykorzystywane w medycynie mają ogromny potencjał w diagnostyce, szczególnie dzięki możliwościom uzyskiwania obrazów o wysokiej rozdzielczości, które ujawniają detale nieosiągalne dla tradycyjnych metod obrazowania. Rozwój technologii w zakresie transduktorów, źródeł światła i metod obróbki obrazu ma kluczowe znaczenie dla dalszego rozwoju tego pola. Przykładem może być zastosowanie diod LED w systemach PACT, które wykazują korzystne właściwości w porównaniu do tradycyjnych źródeł światła, takich jak lasery Nd:YAG, które są znacznie droższe i wymagają bardziej zaawansowanej infrastruktury.

Innowacyjne rozwiązania, takie jak systemy LED-based PACT, oferują możliwość obrazowania z wykorzystaniem tanich, ale wydajnych źródeł światła, co znacząco zmniejsza koszt całego systemu. W jednym z przykładów zastosowano diody LED do uzyskania obrazów o różnych długościach fal (530 nm, 590 nm i 620 nm) w celu badania sygnałów generowanych przez imitację naczyń krwionośnych. W rezultacie osiągnięto stosunkowo wysoką jakość obrazów z wartością SNR (stosunek sygnału do szumu) wynoszącą 11,8 dla najkorzystniejszej długości fali. Zastosowanie diod LED o długości fali 850 nm w systemie LED-based PACT wykazało możliwość precyzyjnego obrazowania naczyń krwionośnych o średnicy 0,2 mm w palcach ludzkich, co stanowi znaczący postęp w kontekście rozdzielczości obrazów w porównaniu do tradycyjnych technik.

Wprowadzenie innowacji, takich jak wykorzystanie pierścieni ślizgowych do wspomagania rotacji transduktorów w systemach PACT, także przyczyniło się do poprawy jakości obrazów. Takie rozwiązanie umożliwia łatwiejszą obsługę systemów z wieloma transduktorami, eliminując problemy związane z ułożeniem kabli, które mogą zakłócać sygnał. Ponadto zastosowanie akustycznych soczewek stożkowych w tych systemach pomaga w refleksji rozpraszającego się wiązki światła, co również wpływa na poprawę jakości obrazowania.

Kiedy mówimy o systemach PACT opartych na wielu transduktorach, warto zauważyć, że jednym z największych wyzwań jest czas skanowania. Zastosowanie dwóch transduktorów w jednym z eksperymentów pozwoliło uzyskać obrazy w ciągu 9 minut, co wciąż stanowi długi czas w kontekście obrazowania w czasie rzeczywistym. Sytuację tę można poprawić poprzez zwiększenie liczby transduktorów, co pozwoli na skrócenie czasu skanowania, jednocześnie poprawiając jakość obrazów. W tym kontekście rozwój systemów umożliwiających szybsze skanowanie jest kluczowy, zwłaszcza w kontekście medycyny klinicznej.

Jeśli chodzi o zastosowanie systemów PACT w praktyce klinicznej, to chociaż systemy oparte na pojedynczych transduktorach są wystarczające do zastosowań w badaniach przedklinicznych, to dla obrazowania ludzi lub nawet w czasie rzeczywistym w małych zwierzętach preferowane są transduktory oparte na macierzach. Macierze transduktorów mogą być w różnych konfiguracjach, takich jak liniowe czy zakrzywione, co wpływa na sposób akwizycji obrazów, rekonstrukcję i oświetlenie optyczne.

Z kolei systemy PACT z transduktorami zakrzywionymi, jak te, które zastosowano w obrazowaniu mózgu pośmiertnego szczura, pozwalają na uzyskiwanie obrazów o wysokiej rozdzielczości, nawet w przypadku obrazowania naczyń krwionośnych w głębi tkanki. Wspomniany system wykorzystuje laser Nd:YAG, który dostarcza impulsy o długości 8–12 ns, co zapewnia wysoką jakość obrazów. W tym przypadku użyto transduktorów z 128 elementami, rozmieszczonymi wzdłuż łuku o promieniu 25 mm, co pozwoliło na uzyskanie wysokiej czułości i SNR.

Systemy PACT oparte na macierzach pierścieniowych, jak np. TROPUS (transmisyjno-refleksyjny system obrazowania optoakustycznego), umożliwiają pełne obrazowanie ciała małych zwierząt z wysoką rozdzielczością sub-milimetrową. W tym systemie transduktor pierścieniowy o 512 elementach daje możliwość uzyskania obrazów 3D, co jest szczególnie przydatne w preklinicznych badaniach biomedycznych. Dzięki zastosowaniu technologii łączącej obrazowanie ultradźwiękowe i fotoakustyczne, możliwe jest uzyskanie obrazu, który nie tylko pokazuje strukturę anatomiczną, ale także informacje o właściwościach akustycznych, takich jak refleksyjność, tłumienie dźwięku i prędkość dźwięku w badanych tkankach.

Wszystkie te systemy mają swoje ograniczenia i wyzwania, ale ich rozwój idzie w kierunku zwiększania szybkości obrazowania, zmniejszania kosztów, a także poprawy jakości obrazów dzięki technologiom przetwarzania obrazu, w tym technikom uczenia maszynowego. Choć systemy oparte na pojedynczych transduktorach są wystarczające do badań przedklinicznych, dla klinicznych zastosowań niezbędne są bardziej zaawansowane transduktory macierzowe, które oferują szersze możliwości w zakresie uzyskiwania obrazów o wyższej rozdzielczości.

W przyszłości, jednym z najważniejszych aspektów będzie dalsza miniaturyzacja systemów PACT i wprowadzanie nowych technologii, które pozwolą na bardziej dynamiczne i dokładne obrazowanie w czasie rzeczywistym. Kluczowe będzie również obniżenie kosztów technologii, aby mogły stać się one bardziej dostępne w szerokim zakresie zastosowań medycznych, nie tylko w ośrodkach badawczo-rozwojowych, ale i w codziennej praktyce klinicznej.

Jakie możliwości daje obrazowanie fotoakustyczne (PA) w badaniach nad zdrowiem człowieka i zwierząt?

Obrazowanie fotoakustyczne (PA) to nowoczesna technika, która łączy w sobie zalety ultradźwięków i optyki. Dzięki tej metodzie możliwe jest uzyskanie obrazów tkanek o wysokiej rozdzielczości, które pozwalają na szczegółową analizę strukturalną i funkcjonalną. W niniejszym rozdziale przyjrzymy się zastosowaniom PA w badaniach nad różnymi chorobami oraz w badaniach preklinicznych, z naciskiem na możliwości, jakie oferuje w kontekście obrazowania w medycynie.

Pierwsze badania z wykorzystaniem PA polegały na porównaniu obrazów fotoakustycznych z histologicznymi w celu upewnienia się, że uzyskane obrazy odpowiadają rzeczywistej anatomii badanych struktur. Wyniki wykazały, że kontrast optyczny między tkanką a naczyniami krwionośnymi wahał się od 2.3 do 7.9, co świadczy o dobrej jakości uzyskiwanych obrazów. W badaniach nad nieprawidłowościami anatomicznymi, takich jak zmiany w mózgu, wykorzystano model indukcji zmian na korze mózgowej, gdzie kontrast między zmianami a zdrową tkanką wynosił od 1.7 do 5.2. Takie badania pozwoliły na wykrycie powierzchownych zmian w korze mózgowej, co stanowi istotny krok w kierunku wykorzystania PA do diagnostyki neurologicznych zaburzeń.

Obrazowanie funkcjonalne jest kolejnym obszarem, w którym PA wykazuje swoje możliwości. W eksperymencie stymulacji wąsów u szczurów, zdjęcia PA były użyte do analizy zmian w aktywności neurologicznej. Subtrakując obrazy bazowe od obrazów uzyskanych podczas stymulacji, zarejestrowano zmiany w układzie naczyniowym, co pozwoliło na wykrycie zmian hemodynamicznych towarzyszących aktywności mózgu. Wyniki te sugerują, że PA może skutecznie śledzić zmiany w przepływie krwi podczas aktywności, co jest kluczowe dla funkcjonalnego obrazowania tkanek.

Zaawansowane zastosowania PA obejmują także badania nad hemodynamiką serca. Badania na szczurach, które miały na celu ocenę hemodynamiki w zdrowych i chorych zwierzętach (w tym otyłych oraz z nadciśnieniem), wykazały zmiany w sygnale PA związane z cyklem pracy serca, a także zmiany w objętości lewej komory serca. Zjawisko to zostało powiązane z nagromadzeniem tłuszczu w tętnicach chorych szczurów, co pozwala na wczesne wykrycie chorób serca w warunkach eksperymentalnych.

W kontekście zastosowań klinicznych, technika PA znajduje swoje miejsce w onkologii. Przykładem może być badanie przeprowadzone przez Periyasamy’ego, który monitorował proces ablacji nowotworów piersiowych u myszy. Używając krótkotrwałego lasera, śledzono zniszczenie naczyń krwionośnych w obrębie guza w czasie rzeczywistym. Dzięki systemowi PA możliwe było uzyskanie obrazów, które odzwierciedlały zmiany w strukturze guza, co jest nieocenione w terapii nowotworowej.

Coraz częściej łączy się PA z innymi metodami obrazowania, co prowadzi do tzw. obrazowania multimodalnego. Przykładem jest integracja systemu PA z rezonansami magnetycznymi (MRI), gdzie za pomocą dedykowanego urządzenia do obrazowania zwierząt, możliwe było uzyskanie precyzyjnych obrazów myszy, zarówno zdrowych, jak i z nowotworami. Dzięki zastosowaniu farb chińskich w celu rejestracji punktów anatomicznych, uzyskano obrazy z dwóch różnych technologii, które pozwoliły na lepszą interpretację i diagnozę nowotworów.

W kontekście badań na zwierzętach PA jest wykorzystywane nie tylko do obrazowania zmian anatomicznych, ale także w badaniach nad chorobami układu krążenia oraz stanami zapalnymi. W badaniu nad hipotonią śródczaszkową (IH) w szczurach, PA pozwoliło na dokładne śledzenie zmian w zatokach żylnych mózgu, które były związane z ekstrakcją płynu mózgowo-rdzeniowego (CSF). Obserwowane zmiany w szerokości i powierzchni zatok żylnych dostarczyły cennych informacji na temat mechanizmów związanych z IH.

Badania z użyciem PA są obiecujące, również w kontekście udaru niedokrwiennego mózgu. W modelu udaru, uzyskanym poprzez zablokowanie środkowej tętnicy mózgowej, PA umożliwiło monitorowanie zmian w naczyniach krwionośnych mózgu w czasie rzeczywistym. Dzięki tej metodzie możliwe było wychwycenie różnic w intensywności sygnału PA w obrębie zdrowych i niedokrwionych obszarów mózgu, co jest kluczowe w diagnostyce udaru i jego następstw.

W kontekście zastosowań w ludzkiej medycynie, PA pokazuje ogromny potencjał w diagnostyce nowotworów, zwłaszcza w wykrywaniu guzów piersi. Techniki takie jak rozszerzona rzeczywistość, w której obrazy PA są wyświetlane na zewnętrznej powierzchni ciała pacjenta, pozwalają na precyzyjne lokalizowanie i monitorowanie zmian nowotworowych. Istotną zaletą tej metody jest jej bezpieczeństwo, ponieważ w badaniach radiograficznych nie zaobserwowano uszkodzeń termoakustycznych ani laserowych tkanek, co czyni ją obiecującą w przyszłych zastosowaniach klinicznych.

Technika PA, mimo iż znajduje swoje zastosowanie głównie w badaniach preklinicznych, może z czasem stać się integralnym narzędziem w codziennej praktyce klinicznej. Jej zdolność do obrazowania zarówno strukturalnego, jak i funkcjonalnego tkanek, a także możliwość jej łączenia z innymi metodami, takimi jak MRI czy USG, sprawiają, że PA ma przed sobą ogromny potencjał do zastosowań w diagnostyce medycznej i terapii.

Jakie wyzwania i wartości stoją przed wdrożeniem generatywnej sztucznej inteligencji w administracji publicznej?
Jakie biomarkery pomagają w wykrywaniu ostrej niewydolności nerek?
Jakie są główne zasady ruchu ciał sztywnych wokół swoich głównych osi?
Czy krytyczna teoria i „woke” kultura to realne zagrożenie dla współczesnych instytucji?