W kontekście badań nad materiałami stosowanymi w symulacjach tkanek, szczególne znaczenie mają właściwości akustyczne. Celem badania było uzyskanie odpowiednich właściwości akustycznych, które mogłyby skutecznie symulować tkankę piersi. Materiał testowy, w tym warstwa PVCP, wykazał dobrą zgodność z wartościami akustycznymi dla tkanki gruczołowej, co pozwoliło na przeprowadzenie dalszych eksperymentów obrazujących.

W rekonstrukcjach map prędkości dźwięku oraz obrazów ultradźwiękowych (B-mode), wyraźnie widać trzy obszary – wodę, zewnętrzną warstwę materiału oraz wewnętrzną warstwę przypominającą kształtem kaczkę. Prędkość dźwięku w wodzie wynosi średnio 148

Jakie innowacje w obrazowaniu fotoakustycznym przy użyciu sferycznych przetworników matrycowych przyczyniają się do rozwoju technologii diagnostycznych?

Obrazowanie fotoakustyczne (PA) z użyciem przetworników matrycowych o sferycznym kształcie zostało zaprezentowane przez Dean-bena i współpracowników około dekadę temu. System, który zaprojektowali, umożliwiał pozyskiwanie objętościowych obrazów fotoakustycznych w tempie 10 Hz. Takie podejście pozwalało na wizualizację obszaru zainteresowania o wymiarach 12 × 12 × 10 mm³ w czasie rzeczywistym. Ograniczeniem szybkości pozyskiwania obrazów była jedynie częstotliwość powtarzania impulsów lasera używanego w systemie. Przetwornik stworzony przez firmę Imasonics składał się z 256 elementów rozmieszczonych na półkuli o promieniu 40 mm i średnicy zewnętrznej 64 mm. Kąt widzenia tego przetwornika wynosił 90°. Sferyczna konstrukcja przetwornika redukowała efekt artefaktu ograniczonego widoku, który pojawiał się w systemach z płaską matrycą. Przetwornik ten wyprodukowano za pomocą technologii piezo-kompozytowej, a jego częstotliwość centralna wynosiła 3,9 MHz, natomiast pasmo obejmowało 4 MHz. Wnętrze przetwornika wypełniono wodą oraz cienką plastikową folią lub agarem w celu zapewnienia odpowiedniego sprzężenia akustycznego. Przetwornik wyposażono w centralną cylindryczną komorę o średnicy 8 mm, przeznaczoną na światłowód. Zastosowany laser OPO (optical parametric oscillator) do obrazowania naczyń ludzkich emitował światło w zakresie od 680 do 900 nm, a szerokość impulsu wynosiła 10 ns. Powierzchnia oświetlenia miała średnicę około 1 cm, a odległość od środka przetwornika wynosiła 3 cm. Rozdzielczość przestrzenna systemu wynosiła 200 μm.

Ostatnio zaprezentowano również system bazujący na przetworniku sferycznym z 512 elementami, zaprojektowany przez Godefroya i współpracowników. System ten umożliwiał obrazowanie nasycenia tlenem we krwi oraz dynamiki przepływu krwi. Obrazy fotoakustyczne wykorzystywano do obliczania nasycenia tlenem, a obrazy ultradźwiękowe – do analizy dynamiki przepływu. Wydajność systemu MS-PAFI (multispectral photoacoustic fluctuation imaging) zaprezentowano na zarodkach kurzych. Elementy przetwornika były rozmieszczone w wzorze słonecznika, co miało na celu zredukowanie lobów gratowania wynikających z podpróbkowania. Obszar zainteresowania, który mogła obejmować ta matryca, wynosił 8 × 8 × 8 mm³. Laser OPO o częstotliwości 100 Hz dostarczał światło na powierzchnię obrazowania za pomocą wiązki światłowodów. Przetwornik miał częstotliwość centralną 8 MHz, a średnica jego wnętrza wynosiła 10 mm, z zewnętrzną średnicą 50 mm. Każdy element przetwornika miał średnicę 2 mm, a kąt dywergencji wynosił około 137°. Skupienie przetwornika znajdowało się w odległości 35 mm. Rozdzielczość boczna dla obrazów PA oraz US wynosiła odpowiednio 0,27 mm i 0,22 mm, natomiast rozdzielczość osiowa wynosiła 0,35 mm i 0,23 mm.

Sferyczne przetworniki matrycowe pomagają w redukcji problemu ograniczonego widoku, co stanowi ważną zaletę w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań. Jednakże, ich duży rozmiar stanowi problem w kontekście obrazowania ręcznego w warunkach klinicznych. Dodatkowym wyzwaniem dla tych systemów PA jest konieczność wypełnienia przestrzeni półkuli medium sprzęgającego, co jest wymagane do uzyskania dobrego kontaktu akustycznego z tkanką. Prace nad miniaturyzacją przetworników są więc niezbędne do rozwoju przenośnych urządzeń do monitorowania parametrów fizjologicznych w czasie rzeczywistym.

Kolejnym krokiem w rozwoju technologii fotoakustycznych są specjalnie zaprojektowane, niestandardowe przetworniki. Pan i współpracownicy stworzyli system obrazowania PACT bazujący na mikroczujnikach w formie pierścieni. Autorzy zaprojektowali 15 wysokiej jakości mikroczujników w formie pierścieni, które połączono z falowodem wykonanego z materiału chalcogenidowego, składającego się z Ge25Sb10S65. Te mikroczujniki miały średnicę 40 μm, wysokość 850 nm i szerokość 400 μm. Pasmo przenoszenia tych czujników wynosiło 175 MHz, a kąt akceptacji sięgał ±30°. Zastosowanie tych czujników pozwoliło na realizację obrazowania PACT za pomocą pojedynczego impulsu lasera oraz jednego fotodetektora. Ich zastosowanie w biologii zostało zaprezentowane w badaniach nad rozwojem organów u zarodków ryb danio.

Dalszym przykładem są prace Gao i współpracowników, którzy opracowali łatkę z źródłem światła oraz czujnikami do obrazowania PACT. Użyto diod VCSEL do generowania światła o długości fali 850 nm, które penetrowało tkankę do głębokości 2 cm. Choć jakość obrazów uzyskanych za pomocą tej technologii nie dorównuje tradycyjnym systemom PA, główną zaletą tego rozwiązania jest kompaktowość zarówno źródła światła, jak i detektora, co umożliwia łatwiejsze zastosowanie w medycynie.

Pomimo wielu innowacji, niektóre z tych nowych technologii wciąż nie osiągnęły jeszcze wystarczającej jakości obrazów do zastosowań diagnostycznych. Jednak ich potencjał w ciągłym monitorowaniu parametrów fizjologicznych, wykrywaniu zmian w czasie rzeczywistym oraz obrazowaniu miejsc trudno dostępnych, stanowi istotny krok naprzód w rozwoju urządzeń medycznych nowej generacji.

Jak oszacować niepewność pomiaru i czym różni się ona od błędu pomiarowego?
Czy nowa konstytucja mogłaby uratować demokrację w obliczu zagrożeń autorytarnych?
Jakie są nowoczesne fotoinicjatory do drukowania 3D przy użyciu podwójnej fotopolimeryzacji?