Obrazowanie protoakustyczne stanowi innowacyjne podejście w terapii protonowej, które umożliwia dokładniejsze monitorowanie rozkładu dawki promieniowania w ciele pacjenta. Podstawowym mechanizmem tego typu obrazowania jest interakcja protonów z tkankami ciała podczas terapii, kiedy protony spowalniają, oddając swoją energię, co prowadzi do podgrzewania tkanek i ich rozszerzania. To zjawisko generuje fale akustyczne, które mogą zostać zarejestrowane przez czujniki ultradźwiękowe i przekształcone w obrazy. Dzięki tym obrazom możliwe jest precyzyjne określenie miejsca i rozległości interakcji między wiązką protonów a tkankami, co pozwala na weryfikację zakresu leczenia w czasie rzeczywistym.

Kluczowym momentem w rozwoju tej technologii jest tzw. „szczyt Bragga” – charakterystyczny punkt, w którym protony zatrzymują większość swojej energii, co czyni go istotnym dla precyzyjnego celowania w nowotwory przy minimalnym uszkodzeniu zdrowych tkanek. Obrazowanie protoakustyczne może skutecznie monitorować te zmiany w czasie rzeczywistym, a tym samym poprawić dokładność terapii protonowej, co jest szczególnie ważne w leczeniu nowotworów.

Pierwsze próby wykorzystania obrazu protoakustycznego w medycynie zaczęły się już w 1979 roku, ale przez długi czas technologia ta rozwijała się powoli. Dopiero w okolicach 2015 roku, dzięki postępowi w technologii przetworników ultradźwiękowych oraz udoskonaleniu źródeł protonowych, obrazowanie protoakustyczne zaczęło zyskiwać na znaczeniu. Współczesne systemy, z wykorzystaniem matrycowych układów ultradźwiękowych, umożliwiają uzyskanie bardziej szczegółowych i trójwymiarowych obrazów, co stanowi istotny krok naprzód w kierunku klinicznych zastosowań tej technologii.

Zasadnicza teoria stojąca za protoakustyką opiera się na efekcie termoakustycznym, który mówi, że energia dostarczona do tkanki generuje fale ciśnieniowe. W przypadku napromieniowania protonami, impuls generowany w szczycie Bragga jest szczególnie intensywny. Fale protoakustyczne rozchodzą się zgodnie z równaniem fal termoakustycznych, gdzie współczynniki termiczne i prędkość dźwięku w medium mają kluczowe znaczenie w określeniu lokalizacji szczytu Bragga. Ponadto, zależność między amplitudą fal protoakustycznych a dawką promieniowania pozwala na dokładne określenie tej dawki w organizmach pacjentów.

Początkowo protoakustyczne pomiary przeprowadzano przy użyciu pojedynczych detektorów ultradźwiękowych, co było zarówno tanie, jak i łatwe w użyciu. Jednak w miarę postępu technologii, do analizy wprowadzono układy matrycowe, które pozwalają na szerszy i bardziej kompleksowy zbiór danych akustycznych. Zastosowanie matrycowych układów ultradźwiękowych umożliwia uzyskanie trójwymiarowych obrazów, które znacznie zwiększają jakość diagnostyki.

Pomimo licznych postępów w tej dziedzinie, wyzwaniem pozostaje uzyskanie odpowiedniej czułości pomiaru. Detektory ultradźwiękowe, takie jak przetworniki oparte na tytanianie ołowiu-zirkonianu (PZT) czy poliwinyldene fluorku (PVDF), posiadają swoje ograniczenia, takie jak niski stosunek sygnału do szumu. Prace nad optycznymi hydrofonami, które wykorzystują interferometrię laserową, pozwoliły na poprawę jakości pomiarów i zwiększenie czułości detekcji. Kolejnym krokiem jest rozwój mikromaszynowanych przetworników ultradźwiękowych (CMUT), które oferują szerszy pasmo przenoszenia, nie obniżając czułości.

Współczesne systemy obrazowania protoakustycznego są na etapie intensywnych prac badawczo-rozwojowych. Istnieje jeszcze wiele wyzwań związanych z udoskonaleniem technologii, takich jak poprawa stosunku sygnału do szumu czy zwiększenie precyzyjności pomiarów w różnych zakresach energii protonów. Niezbędne jest dalsze badanie, które pozwoli na uzyskanie optymalnego przetwornika akustycznego, który z jednej strony zapewni szerokie pasmo przenoszenia, a z drugiej – wysoką czułość detekcji.

Warto zauważyć, że zastosowanie tej technologii wykracza poza samo leczenie nowotworów. Obrazowanie protoakustyczne może mieć także szerokie zastosowanie w innych dziedzinach medycyny, w tym w diagnostyce i monitorowaniu procesów biologicznych, które zachodzą pod wpływem promieniowania. W przyszłości może stać się narzędziem pozwalającym na jeszcze dokładniejsze planowanie leczenia i monitorowanie jego postępów, a także na zmniejszenie ryzyka powikłań związanych z uszkodzeniem zdrowych tkanek.

Jakie lasery są stosowane w obrazowaniu fotoakustycznym?

W obrazowaniu fotoakustycznym (PAI) używa się różnych typów laserów pulsacyjnych, które spełniają wymagania tego rodzaju technologii. Część z nich jest szeroko wykorzystywana w praktyce, w tym lasery stałociałowe, diodowe, oraz lasery barwnikowe. Każdy z tych typów ma swoje zalety i wady, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu systemów obrazowania PAI.

Jednym z najczęściej stosowanych źródeł lasera w PAI jest laser Nd:YAG (neodymowo-dopuszczony granat ytrowo-aluminiowy). Jest to popularny laser stałociałowy, który generuje intensywne światło o długości fali wynoszącej 1064 nm, a dzięki zastosowaniu techniki podwajania częstotliwości, może wytwarzać także światło o długościach fal 532 nm, 355 nm, 266 nm i 213 nm. Nd:YAG jest wykorzystywany głównie w trybie pulsacyjnym, w którym za pomocą przełączania Q (Q-switching) uzyskuje się krótkie impulsy o wysokiej mocy. Ten rodzaj lasera pozwala uzyskać bardzo krótkie czasy trwania impulsu, co jest kluczowe dla uzyskania wysokiej rozdzielczości w obrazowaniu PA.

Innym rodzajem lasera, który jest używany w systemach PAI, jest laser barwnikowy. Lasery barwnikowe wykorzystują organiczne barwniki w stanie ciekłym jako medium wzmacniające. Te lasery charakteryzują się szerokim zakresem długości fal, które mogą wynosić od 50 nm do ponad 1000 nm. Dzięki tej elastyczności w doborze długości fali, lasery barwnikowe stanowią atrakcyjną opcję w PAI, szczególnie gdy wymagana jest możliwość dostosowania długości fali do różnych zastosowań. Oprócz tego, lasery barwnikowe mogą generować dużą energię lub wysoką średnią moc, co umożliwia ich wykorzystanie w systemach obrazowania wymagających dużej intensywności światła. W przypadku lampowo-wzbudzanych laserów barwnikowych możliwe jest uzyskanie impulsów o energii dochodzącej do setek dżuli na impuls.

Lasery Ti:safir (safir doperowany tytanem) to kolejna technologia powszechnie wykorzystywana w PAI. Lasery te operują najefektywniej w zakresie długości fal około 800 nm, jednak możliwe jest uzyskanie emisji światła w szerokim zakresie od 650 nm do 1100 nm. Lasery Ti:safir generują bardzo krótkie impulsy, które mogą wynosić od kilku setek nanosekund do kilku femtosekund. Dzięki zastosowaniu technik pasywnego blokowania trybu (mode-locking), takich jak blokowanie soczewki Kerr'a (KLM) oraz półprzewodnikowe lustra nasyceniowe (SESAM), możliwe jest uzyskanie bardzo precyzyjnych impulsów o wysokiej mocy, które są niezbędne w obrazowaniu PA.

W ostatnich latach coraz większą popularność zdobywają lasery światłowodowe, które wykorzystują światłowody dopowane rzadkimi pierwiastkami ziem rzadkich, takimi jak erb, itterb, neodym, dysproz, prazeodym, tul i holm. Lasery światłowodowe charakteryzują się wieloma zaletami, w tym elastycznym transportem światła, wysoką jakością wiązki oraz kompaktową budową. Dzięki rozwojowi światłowodów o dużych obszarach trybu (LMA) oraz postępom w technologii diod o wysokiej mocy, lasery światłowodowe mogą generować moc wyjściową od kilku setek watów do kilku tysięcy kilowatów. Dodatkowo, lasery światłowodowe mogą generować impulsy w różnych zakresach czasowych: od nanosekundowych (10⁻⁶ s) do femtosekundowych (10⁻¹⁵ s), co sprawia, że są one wszechstronnie wykorzystywane w systemach PAI.

Diody laserowe (LD), diody laserowe wtryskowe (ILD) oraz lasery diodowe to kolejne urządzenia, które stają się coraz bardziej popularne w aplikacjach PAI. Są one niedrogie, niezawodne i ultrakompaktowe, co czyni je idealnym wyborem w obrazowaniu w czasie rzeczywistym. Diody laserowe mogą generować impulsy o czasie trwania w zakresie od setek pikosekund do mikrosekund, a ich szeroki zakres długości fal (od UV do NIR) sprawia, że mogą być stosowane w szerokim zakresie aplikacji. W przypadku laserów CW (ciągłych) również istnieje możliwość ich modyfikacji do zastosowań w PAI, ponieważ są one niedrogie, kompaktowe i odporne na uszkodzenia, oferując dostęp do szerokiego zakresu długości fal.

Istnieje wiele wyzwań związanych z rozwojem zaawansowanych systemów PAI. Należy do nich: uzyskanie wysokiej energii impulsów (od kilku nano dżuli do setek mikro dżuli) przy wysokiej częstotliwości powtarzania impulsów (PRR), szybkie i dostosowywalne długości fal w zakresie UV do podczerwieni oraz szybki czas skanowania i przetwarzania obrazów. Aby technologia ta mogła znaleźć szerokie zastosowanie w badaniach klinicznych, te wyzwania muszą zostać pokonane. Tylko wtedy możliwe będzie dalsze rozszerzanie obszaru zastosowań, obejmujących zarówno badania przedkliniczne, jak i kliniczne, wymagające szybkiej jakości obrazowania.

Z punktu widzenia technologii obrazowania, wyzwań do pokonania jest jeszcze wiele. Jednym z głównych jest wzmocnienie sygnału PA, który w porównaniu do klasycznego ultrasonograficznego sygnału medycznego jest o rząd wielkości słabszy. Sygnały PA mają bardzo szeroki zakres częstotliwości, co stanowi zarówno wyzwanie, jak i szansę na poprawę jakości obrazowania. Dodatkowo, w medycynie należy unikać stosowania zbyt dużych mocy lasera, aby nie uszkodzić tkanek pacjenta, co ogranicza możliwości generowania sygnałów o wysokiej intensywności.

W kontekście wyzwań związanych z detekcją sygnału PA w systemach PAI, kluczowe staje się także dobranie odpowiednich detektorów ultradźwiękowych, które muszą obsługiwać szeroki zakres częstotliwości, co w konsekwencji może poprawić rozdzielczość obrazów oraz zminimalizować artefakty obrazu.

Warto także zaznaczyć, że technologia PAI rozwija się bardzo dynamicznie i ma ogromny potencjał w różnych dziedzinach medycyny, od obrazowania tkanek po monitorowanie stanu zdrowia pacjentów w czasie rzeczywistym. Rozwój tej technologii pozwala na coraz dokładniejsze obrazy, które mogą pomóc w diagnozowaniu wielu chorób, szczególnie w kontekście nowoczesnej medycyny precyzyjnej.

Jak materiały kompozytowe na bazie rGO i nanocząsteczek złota zmieniają technologię obrazowania ultradźwiękowego?

Rozwój technologii ultradźwiękowego obrazowania optoacustycznego (OpUS) stanowi krok milowy w zakresie medycyny inwazyjnej. Oprócz standardowych metod obrazowania, takich jak tradycyjne ultradźwięki, zastosowanie kompozytów optycznych umożliwia uzyskanie wyższych ciśnień ultradźwiękowych, co z kolei prowadzi do lepszej jakości obrazów. Kluczowe w tej technologii są materiały, takie jak redukowany tlenek grafenu (rGO) oraz nanocząsteczki złota, które przyczyniają się do wyraźnego polepszenia wydajności urządzeń do obrazowania.

W przypadku kompozytów opartych na rGO, badania wykazały, że ich ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) ma istotny wpływ na generowanie ultradźwięków. Zjawisko to może zostać wykorzystane do tworzenia ruchów zginających w czasie generowania fal ultradźwiękowych, co pozwala na uzyskanie wyższych ciśnień. W badaniach Hwana Lee i współpracowników rGO połączone z polidimetylosiloksanem (PDMS) wykazało wyraźnie lepszą efektywność wytwarzania fal ultradźwiękowych w porównaniu z połączeniem rGO i aluminium. Połączenie tych dwóch materiałów spowodowało wzrost ciśnienia ultradźwiękowego do 4,5 MPa, co jest wynikiem dwukrotnie wyższym niż w przypadku rGO-Al. Ponadto, kompozyt rGO-PDMS wykazywał wyraźny wzrost sygnału ultradźwiękowego o 10 dB na wszystkich częstotliwościach w porównaniu z rGO-Al.

Należy zauważyć, że przy wykorzystaniu rGO-PDMS do generowania fal ultradźwiękowych o częstotliwości powyżej 50 MHz, pojawiła się możliwość stosowania tej technologii w obrazowaniu ultradźwiękowym w czasie rzeczywistym. Również w tym przypadku, wyższa przewodność cieplna rGO miała kluczowy wpływ na zmniejszenie czasu reakcji urządzenia, co zwiększyło jego wydajność.

Jednakże, pomimo że kompozyty takie jak rGO-PDMS są obiecujące, tradycyjne kompozyty o dużych wymiarach mają swoje ograniczenia, zwłaszcza w zastosowaniach medycznych. Ich rozmiar sprawia, że są one niepraktyczne w przypadku obrazowania in vivo, zwłaszcza w minimalnie inwazyjnych procedurach medycznych. W odpowiedzi na ten problem, technologia światłowodowych sond ultradźwiękowych zyskuje na znaczeniu. Kompozyty cienkowarstwowe, aplikowane na włóknach optycznych, pozwalają na stworzenie urządzeń, które łączą funkcje detekcji i emisji fal ultradźwiękowych, a ich mikroskalowe wymiary umożliwiają zastosowanie ich w medycynie.

Technologie takie jak elektrospinning czy zanurzeniowe nanoszenie warstw (dip-coating) otwierają nowe możliwości dla tworzenia tych kompozytów, których zastosowanie w optoakustycznym obrazowaniu ultradźwiękowym może przyczynić się do dalszego rozwoju medycyny inwazyjnej. Co więcej, zastosowanie złotych nanocząsteczek w strukturach tych kompozytów umożliwia selektywne pochłanianie światła, dzięki czemu można manipulować intensywnością i kierunkiem fal ultradźwiękowych.

Przykład zastosowania złotych nanocząsteczek w tworzeniu kompozytów na bazie PDMS ukazuje, jak nanotechnologia może wpłynąć na jakość obrazu i wydajność urządzeń. Badania pokazują, że wykorzystanie wielu warstw złotych nanopłatów w połączeniu z materiałem takimi jak PEI (polietylenimina) pozwala na uzyskanie wyższych ciśnień ultradźwiękowych, co w przyszłości może stanowić podstawę dla bardziej precyzyjnych technik obrazowania w medycynie.

Zastosowanie tych nowoczesnych materiałów do budowy sond światłowodowych, które generują wysokiej jakości obraz w czasie rzeczywistym, stawia nas na progu przełomowych rozwiązań w medycynie. Możliwość regulowania właściwości optycznych tych materiałów poprzez dobór odpowiednich nanocząsteczek czy zmianę grubości warstwy kompozytu stanowi szansę na dalszy rozwój tej technologii w kierunku jeszcze bardziej zaawansowanych, miniaturowych urządzeń medycznych.

Warto dodać, że oprócz zaawansowanych technologii materiałowych, duże znaczenie ma również optymalizacja procesów produkcyjnych. Choć metody takie jak elektrospinning i dip-coating dają obiecujące rezultaty, nadal istnieją wyzwania związane z dokładnością nanoszenia cienkowarstwowych warstw na mikroskalowe struktury. Problem ten wymaga dalszych badań, aby zminimalizować ryzyko defektów w strukturze kompozytów, co może wpływać na ich efektywność w praktycznych zastosowaniach medycznych.

Jakie są najnowsze podejścia do leczenia zapaleń oczu za pomocą biologicznych środków terapeutycznych?
Jak działa metoda TOPSIS i jakie są wskaźniki oceny dokładności w analizie wielokryterialnej?
Jak pandemia COVID-19 wpłynęła na funkcjonowanie kościołów w Stanach Zjednoczonych?
Jakie zalety posiadają materiały o funkcjonalnej gradacji (FGM) w porównaniu do tradycyjnych kompozytów?
Jak efektywnie wykorzystać mikroskopy do fotografii mikroskopowej: techniki, wyzwania i porady