Jak Fotoakustyczne Metody Analizy Obrazów Mogą Zrewolucjonizować Diagnozę Nowotworów?

Fotoakustyka to nowoczesna technika, która łączy zalety selektywnej absorpcji światła przez tkanki biologiczne oraz głębokość penetracji ultradźwięków, oferując wyjątkowy wgląd zarówno w makroskalową strukturę fizjologiczną, jak i mikroskalową molekularną organizację tkanek. Przełomowym osiągnięciem tego podejścia jest jego zdolność do oceny złożonych struktur tkanek biologicznych, takich jak kości, wątroba, czy tkanki nowotworowe, w sposób nieniszczący, co stanowi istotną przewagę nad tradycyjnymi metodami diagnostycznymi.

Również w przypadku prób zastosowania algorytmów uczenia maszynowego w analizie sygnałów fotoakustycznych pojawiają się trudności związane z ich tzw. „czarną skrzynką”, czyli nieprzejrzystością mechanizmów, które decydują o jakości ekstrakcji cech z sygnałów. Mimo że takie metody wykazują dużą odporność na zakłócenia i zmienność w danych, ich stosowanie w praktyce klinicznej jest ograniczone przez brak pełnej zrozumiałości procesów decyzyjnych wewnątrz algorytmów. Stąd pojawia się konieczność rozwijania bardziej przejrzystych, hybrydowych modeli, które łączą tradycyjny model fizyczny z nowoczesnymi metodami opartymi na danych.

W kontekście stosowania tych metod w diagnostyce nowotworowej szczególnie ważnym krokiem jest rozwój technik, które pozwolą na poprawę jakości obrazów uzyskiwanych z tkanki nowotworowej. Wyzwaniem pozostaje także kwestia jak najlepszego odwzorowania właściwości fizycznych tkanek w matematycznych modelach, co umożliwi dokładniejszą analizę wyników. Głębsze zrozumienie tych procesów pozwoli na dalszy rozwój metod fotoakustycznych i ich zastosowanie w codziennej praktyce klinicznej.

W ostatnich latach osiągnięto znaczne postępy w rozwoju metod analizy widma fotoakustycznego, które umożliwiają rozróżnianie różnych typów nowotworów, na przykład dzięki zastosowaniu algorytmów uczenia maszynowego do analizy spektrów uzyskanych w badaniach. Przykłady obejmują identyfikację typów guzów skóry, a także szereg innych zastosowań w kontekście wykrywania nowotworów prostaty i piersi. Jednak wyzwania związane z interpretacją złożonych danych oraz poprawą dokładności tego typu analiz pozostają jednym z głównych tematów badawczych.

Kluczowym krokiem w dalszym rozwoju fotoakustyki jest integracja fizycznych modeli tkanek z technikami sztucznej inteligencji, które pozwalają na bardziej precyzyjne odwzorowanie skomplikowanych właściwości biologicznych. Zastosowanie metod takich jak algorytmy głębokiego uczenia pozwala na wyciąganie bardziej precyzyjnych cech z trudnych do zinterpretowania sygnałów, jednak aby mogły one być szeroko stosowane w praktyce klinicznej, wymagają dalszego udoskonalenia i przystosowania do zmienności biologicznej tkanek ludzkich.

Przy tym wszystkim warto również pamiętać, że techniki takie jak fotoakustyka oferują ogromny potencjał nie tylko w diagnostyce, ale również w monitorowaniu efektywności leczenia, zwłaszcza w kontekście nowoczesnych terapii nowotworowych. Umożliwiają one dynamiczne śledzenie zmian w strukturze tkanek i molekularnym składzie guzów, co jest szczególnie istotne w przypadku terapii, które polegają na precyzyjnym dozowaniu leków.

Należy także zauważyć, że rozwój fotoakustyki nie jest wolny od wyzwań technologicznych. Oprócz poprawy jakości obrazów, kluczowym aspektem jest zmniejszenie czasów oczekiwania na wyniki oraz optymalizacja sprzętu, tak by metoda stała się bardziej dostępna i praktyczna w codziennej diagnostyce. Rozwój mobilnych urządzeń, które umożliwiają przeprowadzanie badań w warunkach szpitalnych, jak i w bardziej dynamicznych środowiskach, może przyczynić się do szybszej adaptacji tej technologii w placówkach medycznych.

Jak technologia PAM wpływa na rozwój medycyny w dziedzinie onkologii, neurologii i dermatologii?

Pod wpływem wzrostu temperatury amplituda sygnału PA wzrasta, a czas lotu akustycznego pomiędzy dwoma granicami skraca się. Linie A zostały ustawione w górnej granicy obrazu w celu lepszej wizualizacji zmian w czasie lotu akustycznego. Zmiany te mogą być szczególnie użyteczne w monitorowaniu procesów biologicznych, takich jak angiogeneza, która odgrywa kluczową rolę w rozwoju nowotworów oraz uszkodzeniach tkanek nerwowych.

Fototermiczna akustyczna mikroskopia (PAM) to technika, która znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach medycyny, zwłaszcza tam, gdzie konieczne jest monitorowanie mikroskalowych zmian w układzie naczyniowym oraz procesach metabolicznych w tkankach. Została szeroko rozwinięta w dziedzinach takich jak neurobiologia, biologia nowotworów, dermatologia oraz diagnostyka mikroskopowa. Choć PAM nie weszła jeszcze w pełni do klinicznych zastosowań, to jej rozwój postępuje, szczególnie w badaniach przedklinicznych, gdzie technologie te sprawdzają się w takich zadaniach, jak mikroangiografia, obrazowanie funkcjonalne, histologia, a także dermatologia.

W przypadku raka piersi PAM wykazuje zastosowanie w przyspieszaniu procedur resekcji guzów. Chirurgia oszczędzająca pierś (BCS) to technika, która minimalizuje ryzyko nawrotu choroby i skutki estetyczne, ponieważ pozwala na natychmiastową analizę usuniętych tkanek. Tradycyjnie, analiza zamrożonych próbek (FSA) nie jest wystarczająco skuteczna w przypadku tkanek tłuszczowych, szczególnie w przypadku BCS. W tym kontekście PAM może stanowić przełom, ponieważ pozwala na obrazowanie jąder komórkowych przy użyciu ekscytacji promieniowaniem ultrafioletowym (UV), które jest silnie pochłaniane przez DNA i RNA. To pozwala na precyzyjne oddzielenie tkanek nowotworowych od zdrowych, a także identyfikację takich rodzajów raka jak rak in situ (DCIS) oraz rak inwazyjny (IDC). Chociaż tradycyjny system PAM jest jeszcze stosunkowo powolny (wymaga około 100 minut do zeskanowania pola 5 mm x 5 mm), dalszy rozwój technologii może znacznie skrócić ten czas.

W dermatologii PAM również ma ogromny potencjał. Tradycyjne metody, takie jak dermoskopia, mają ograniczoną głębokość penetracji oraz niski kontrast optyczny, co utrudnia dokładną ocenę tkanek. PAM, dzięki zdolności do obrazowania chromoforów, takich jak melanina czy hemoglobina, staje się atrakcyjną alternatywą, umożliwiającą szczegółowe obrazowanie mikroskalowej struktury naczyń krwionośnych w skórze. Dzięki tej technologii możliwe jest rozpoznawanie mikroskalowych zmian w strukturze naczyń, co może pomóc w diagnostyce takich schorzeń jak nowotwory skóry, brodawki czy infekcje grzybicze. W połączeniu z szerokopasmową tomoskopią PA (UB-RSOM), metoda ta może być wykorzystywana do monitorowania zmian w układzie naczyniowym skóry, takich jak aktywna wazoaktywacja w chorobach takich jak łuszczyca.

PAM to technologia, która już teraz wnosi ogromny wkład w rozwój medycyny, umożliwiając dokładniejsze obrazowanie mikrostruktur i procesów biologicznych w różnych dziedzinach. Jej potencjał w diagnostyce i leczeniu chorób takich jak nowotwory, choroby oczu, a także w dermatologii, jest nieoceniony. Jednak jej pełne wdrożenie wymaga dalszego rozwoju technologicznego, w szczególności w zakresie poprawy szybkości obrazowania oraz zwiększenia głębokości penetracji.

Zastosowanie tomografii fotoakustycznej w diagnostyce medycznej

Tomografia fotoakustyczna (PACT) jest nowoczesną techniką obrazowania, która łączy w sobie cechy ultrasonografii oraz technologii optycznych, umożliwiając uzyskiwanie obrazów wewnętrznych struktur ciała w wysokiej rozdzielczości. Współczesne badania nad tą metodą wskazują na jej ogromny potencjał w diagnostyce chorób nowotworowych, w tym raka piersi, oraz w funkcjonalnym obrazowaniu mózgu. Systemy PACT wykorzystywane są do obrazowania zarówno struktur anatomicznych, jak i funkcji biologicznych, takich jak aktywność mózgu czy przepływ krwi w tkankach.

Jednak pomimo obiecujących wyników w badaniach przedklinicznych, PACT ma swoje ograniczenia, które związane są przede wszystkim z głębokością obrazowania. Obecnie, w przypadku mózgu, technologie fotoakustyczne umożliwiają obrazowanie tylko do około 1 cm od powierzchni skóry, co może stanowić problem w diagnozowaniu głębszych struktur. Niemniej jednak, rozwój technologii w tym zakresie, w tym dążenie do transkranialnego obrazowania fotoakustycznego, może w przyszłości zniwelować te ograniczenia.

Z kolei w przypadku obrazowania mózgu, technologia fotoakustyczna (fPACT) wykazała porównywalne wyniki z tradycyjnym fMRI w badaniach funkcjonalnych. System fPACT, wyposażony w 1024 transduktory ultradźwiękowe rozmieszczone w czterech kwadrantowych zestawach, umożliwia obrazowanie aktywności mózgu, co może mieć zastosowanie w diagnozowaniu chorób neurodegeneracyjnych czy ocenie funkcji poznawczych. Dzięki zastosowaniu podwójnej długości fali lasera (1064 nm i 694 nm) oraz specjalnej konfiguracji skanowania, system ten oferuje zarówno obrazowanie struktur anatomicznych, jak i funkcji mózgu. Badania wykazały, że PACT może być stosowane do obrazowania podczas różnych zadań kognitywnych, takich jak poruszanie palcami czy generowanie słów, co może mieć znaczenie w ocenie stanów neurologicznych.

Warto zwrócić uwagę na kwestię bezpieczeństwa, szczególnie jeśli chodzi o wykorzystanie tradycyjnych źródeł lasera klasy IV. Istnieją obawy dotyczące potencjalnego ryzyka uszkodzenia tkanek w wyniku długotrwałego wystawienia na działanie silnych wiązek światła. Jednakże rozwój alternatywnych źródeł światła, takich jak diody LED, może pomóc w zmniejszeniu tych zagrożeń. Choć diody LED są obecnie mniej wydajne niż tradycyjne lasery, dalszy rozwój tej technologii może pozwolić na stworzenie systemów fotoakustycznych o większym bezpieczeństwie i skuteczności, które w przyszłości mogą zdominować rynek.

Zgodnie z decyzją FDA, w 2022 roku system obrazowania piersi firmy Seno Medical, Imagio Breast Imaging System, uzyskał dodatkowe zatwierdzenie do stosowania w klinikach, co może stać się impulsem do dalszego rozwoju tej technologii w medycynie. Możliwość stosowania PACT w codziennej praktyce klinicznej otwiera nowe perspektywy w diagnostyce nowotworów, szczególnie w obrazowaniu raka piersi, ale również w innych dziedzinach, takich jak obrazowanie układu naczyniowego, chorób serca, a nawet obrazowanie mózgu.

Choć PACT już teraz wykazuje ogromny potencjał w diagnostyce, wciąż pozostaje wiele do zrobienia w zakresie udoskonalania tej technologii. Rozwój algorytmów opartych na uczeniu maszynowym i głębokim uczeniu, które pozwalają na poprawę jakości obrazów z systemów LED, oraz dalsze badania nad zastosowaniem PACT w różnych dziedzinach medycyny, mogą wkrótce przynieść przełom w diagnostyce i leczeniu wielu chorób. Technologie te mają szansę na stałe wpisać się w standardy medyczne, oferując lekarzom nowe narzędzie do dokładniejszej diagnozy i monitorowania leczenia.

Jak światło propaguje się w tkankach? Kluczowe zjawiska optyczne w biologii

W różnych konfiguracjach systemów obrazujących zastosowano różne metody radzenia sobie z wpływem dyfuzji, które umożliwiają bardziej precyzyjne odwzorowanie rzeczywistego obrazu. Warto zauważyć, że światło w tkance nie porusza się po linii prostej, a jego rozprzestrzenianie się jest wynikiem skomplikowanych interakcji z jej składnikami.

Absorpcja fotonów w tkankach biologicznych

Absorpcja światła w tkankach biologicznych jest kluczowym aspektem w wielu technologiach obrazowania optycznego. Współczynnik absorpcji μa charakteryzuje prawdopodobieństwo, że dany foton zostanie pochłonięty przez medium na jednostkowej długości drogi. Wartość tego współczynnika można obliczyć na podstawie odwrotności średniej długości absorpcji. Obszar przekroju absorpcyjnego (σa) wskazuje na zdolność pojedynczego absorbera do pochłaniania światła. Jest on związany z geometrycznym przekrojem (σg) i współczynnikiem efektywności absorpcji Qa, zgodnie z zależnością σa = Qaσg.

W tkankach biologicznych, głównymi komponentami odpowiedzialnymi za absorpcję światła są hemoglobina, melanina i woda. Różne składniki tkanki wykazują różne charakterystyki absorpcyjne, które mają kluczowe znaczenie w doborze odpowiedniego źródła światła w celu uzyskania silnego sygnału w obrazowaniu fotoakustycznym (PA). Przykładowo, różne kontrastujące środki zewnętrzne (takie jak mikrobańki, nanocząsteczki czy białka fluorescencyjne) wykazują zróżnicowaną czułość detekcji (NEC), od poziomu milimolowego dla mikrobaniek do poziomu pikomolowego dla nanocząsteczek.

Hemoglobina, zarówno w formie utlenowanej (HbO₂), jak i zdeoksygenowanej (HbR), wykazuje różne długości fal absorpcji, co umożliwia ich rozróżnienie. Znalezienie tzw. punktów izosbesticznych, gdzie absorpcja obu form hemoglobiny jest identyczna, pozwala na określenie ich stężenia. Z tego powodu, pomiar saturacji tlenem (sO₂) i całkowitej koncentracji hemoglobiny (CHb) może być wykorzystany w diagnostyce angiogenezy czy przewidywaniu hipermetabolizmu guza.

Rozpraszanie fotonów w tkankach

Zjawisko rozpraszania fotonów w tkankach można opisać przy pomocy teorii Mie'go oraz teorii Rayleigha, w zależności od wielkości cząsteczek rozpraszających w porównaniu z długością fali światła. W tkankach biologicznych fotony rozpraszają się w sposób losowy, gdyż cząsteczki, które napotykają, są rozmieszczone w sposób przypadkowy. W modelu rozpraszania pojedynczego, współczynnik rozpraszania μs charakteryzuje prawdopodobieństwo rozproszenia fotonów w medium na jednostkowej długości drogi. Wartość tego współczynnika w tkankach biologicznych wynosi średnio 100 cm⁻¹.

Transport światła w tkankach

W zależności od rozmiaru obiektów w tkance oraz długości fali światła, transport światła może być modelowany w dwóch podstawowych podejściach: przy użyciu metody Monte Carlo, opisującej indywidualne interakcje fotonów, oraz metodą ciągłą, przy której stosuje się równania różniczkowe, jak równanie dyfuzji. Obie te metody prowadzą do opisu transportu światła na poziomie statystycznym, umożliwiając przewidywanie, jak światło będzie oddziaływać z różnymi komponentami tkanki.

Zaawansowane techniki obrazowania, takie jak funkcjonalna tomografia fotoakustyczna, wykorzystują te modele, by dostarczyć szczegółowych informacji o strukturze i funkcji tkanek, szczególnie w kontekście nowotworów, angiogenezy czy zaburzeń metabolicznych. Ponadto, analiza zmienności sygnałów uzyskanych z różnych długości fal pozwala na precyzyjniejszą ocenę zawartości hemoglobiny, a także na monitorowanie procesów tlenowych w tkankach.

Zrozumienie tych zjawisk jest fundamentem dla zaawansowanych metod diagnostycznych i terapeutycznych w medycynie, pozwalając na bardziej precyzyjne i wczesne wykrywanie patologii, a także na lepsze dostosowanie terapii do indywidualnych potrzeb pacjenta.

Jak przyspieszenie kształtowania fal świetlnych prowadzonego akustycznie zmienia metodologię badań w medycynie i technologii?

Przesunięcia fazowe w połączeniu z metodami charakterystyki transportu światła za pomocą macierzy transmisji fotookustycznej (TM) stanowią fundament nowoczesnych technologii w obszarze medycyny obrazowej. Te metody pozwalają na precyzyjne ukierunkowanie światła w głąb materiałów dyfuzyjnych, takich jak skóra czy tkanki wewnętrzne, przy jednoczesnym wykorzystaniu ultradźwięków do generowania informacji o rozmieszczeniu energii świetlnej. Proces ten pozwala na uzyskanie głębokiego wglądu w strukturę tkanek w sposób nieinwazyjny, co ma olbrzymie znaczenie w diagnostyce medycznej, zwłaszcza w kontekście obrazowania 3D i badań w żywych organizmach.

Współczesne techniki, takie jak kształtowanie fali świetlnej prowadzone akustycznie (photoacoustic-guided wavefront shaping), zostały opracowane w odpowiedzi na wyzwania związane z rozmyciem światła podczas jego przechodzenia przez materiały dyfuzyjne. Dzięki metodom takim jak algorytmy genetyczne czy zastosowanie modulatorów światła, jak LC-SLM czy DMD, możliwe stało się optymalizowanie intensywności światła w określonym punkcie w przestrzeni. Proces ten polega na precyzyjnym sterowaniu geometrią fali świetlnej, by skoncentrować ją w bardzo małym obszarze, co w praktyce daje możliwość uzyskania mikroskalowych obrazów w tkankach.

W praktyce oznacza to, że zamiast czekać godzinami na przeprowadzenie skomplikowanych obliczeń, w ciągu kilku milisekund możliwe staje się uzyskanie wyników wystarczających do zastosowań in vivo. Użycie modulatorów światła działających w wysokich częstotliwościach, takich jak DMD, umożliwiło drastyczne skrócenie czasu oczekiwania na uzyskanie informacji, co może mieć kluczowe znaczenie w badaniach nad dynamicznymi procesami biologicznymi, które zachodzą w czasie rzeczywistym.

W badaniach nad kształtowaniem fal świetlnych i ich zastosowaniem w medycynie obrazowej, jednym z głównych wyzwań było uzyskanie odpowiedniej rozdzielczości przestrzennej. Wspomniane wcześniej wyniki badawcze, takie jak prace Lai i in. [6] czy Inzunza-Ibarra et al. [58], udowodniły, że możliwe jest uzyskanie ogniskowania światła do średnicy poniżej 20 μm, co daje zbliżoną jakość obrazu do rozdzielczości mikroskopowej. Użycie układów sprzętowych takich jak LC-SLM w połączeniu z zaawansowanymi algorytmami genetycznymi umożliwiło uzyskanie jeszcze wyższej efektywności, zwiększając intensywność światła nawet do 6000 razy w stosunku do pierwotnego poziomu.

Wyzwania związane z metodami fotookustycznymi obejmują również problemy związane z ich adaptacją do warunków in vivo, gdzie nie tylko sam proces kształtowania fal jest wyzwaniem, ale także szybkie zmiany w strukturze tkanki, które mogą zakłócić sygnały świetlne i akustyczne. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy koncentrują się na zastosowaniu algorytmów szybszego przetwarzania oraz nowych technik detekcji, które pozwalają na uzyskanie wyników w czasie krótszym niż czas, w którym występują zmiany w strukturze biologicznych materiałów.

Zaletą omawianych metod jest również ich potencjalna integracja z innymi technologiami, takimi jak obrazowanie rezonansu magnetycznego (MRI) czy tomografia komputerowa (CT), co mogłoby umożliwić uzyskanie bardziej kompleksowych obrazów 3D z wysoką rozdzielczością przestrzenną.