Jakie są wyzwania i perspektywy multimodalnego obrazowania optoakustycznego w medycynie?

Obrazowanie optoakustyczne (OA), znane również jako obrazowanie fotoakustyczne, to nowoczesna technika łącząca optyczne wzbudzenie z detekcją ultradźwiękową, umożliwiająca uzyskanie różnorodnych informacji funkcjonalnych, anatomicznych, molekularnych oraz metabolicznych z żywych tkanek na różnych poziomach – od organelli i komórek po całe narządy i organizmy. Zastosowanie tego podejścia otwiera przed medycyną i naukami biomedycznymi zupełnie nowe możliwości, jednak wiąże się także z istotnymi wyzwaniami. Pomimo ogromnego potencjału, technika ta ma pewne ograniczenia, takie jak ograniczona specyficzność, płytka głębokość penetracji oraz przede wszystkim kontrast związany głównie z krwią w tkankach ssaków. Aby przezwyciężyć te trudności, zaproponowano podejścia multimodalne, które łączą obrazowanie optoakustyczne z innymi technikami obrazowania, w celu pełnego wykorzystania unikalnych właściwości i komplementarności tej technologii.

Jednakże technologia ta, mimo swojej zaawansowanej funkcjonalności, posiada pewne ograniczenia. Głównym z nich jest stosunkowo słaba zdolność penetracji w głębsze warstwy tkanek. Chociaż obrazowanie optoakustyczne daje wysoce rozdzielcze obrazy powierzchniowe, jego skuteczność w badaniu głębszych struktur może być ograniczona. Celem rozwoju tej technologii stało się zatem połączenie jej z innymi technikami, które umożliwiają uzyskanie pełniejszego obrazu badanego obszaru. Przykładem jest połączenie fotoakustyki z ultrasonografią, co pozwala na uzyskanie dokładniejszych wyników w diagnostyce raka piersi, gdzie obrazowanie ultradźwiękowe umożliwia uzyskanie lepszej penetracji tkanek, a technika fotoakustyczna zapewnia dokładniejszą analizę funkcjonalną i molekularną.

Zintegrowane podejścia multimodalne, takie jak systemy łączące optoakustykę z obrazowaniem ultradźwiękowym i fluorescencyjnym, pozwalają na zwiększenie specyficzności diagnostycznej, a także głębokości penetracji. Przykładami takich rozwiązań są systemy oparte na kompozycie fotoakustycznym, które umożliwiają wykorzystanie różnych długości fal świetlnych w celu uzyskania bardziej precyzyjnych informacji o tkankach i ich właściwościach, w tym o strukturze naczyń krwionośnych oraz stopniu perfuzji tkanek. Tego rodzaju technologie mogą zostać wykorzystane w diagnostyce nowotworów, w tym raka piersi, ale także w monitorowaniu innych patologii wymagających dokładnej oceny naczyń krwionośnych i tkanek.

Połączenie obrazowania optoakustycznego z tomografią komputerową pozwala na uzyskanie obrazów o jeszcze większej szczegółowości. Dzięki możliwości równoczesnego rejestrowania informacji o strukturach anatomicznych i funkcjonalnych, systemy te mogą stanowić niezwykle cenne narzędzie w wykrywaniu zmian w tkankach, w tym wczesnych stadiów raka, gdzie zmiany morfologiczne są trudne do uchwycenia za pomocą tradycyjnych metod obrazowania.

Z perspektywy przyszłości technologia optoakustyczna oraz multimodalne systemy obrazowania będą odgrywać coraz większą rolę w diagnostyce i terapii. W miarę jak rozwijają się technologie komputerowe oraz algorytmy przetwarzania danych, możliwe będzie tworzenie coraz bardziej zaawansowanych systemów, które pozwolą na jeszcze dokładniejszą ocenę stanu zdrowia pacjentów. Kluczowym wyzwaniem pozostaje jednak integracja różnych technik obrazowania w jedną, spójną platformę diagnostyczną, która będzie mogła być stosowana w codziennej praktyce klinicznej.

Jak technika optycznego oczyszczania tkanki wpływa na obrazowanie metodą UV-PAM?

Zastosowanie techniki optycznego oczyszczania tkanek (CUBIC) w obrazowaniu UV-PAM stanowi przełom w badaniach neurobiologicznych i innych dziedzinach medycyny. Oczyszczanie to pozwala na usunięcie lipidów i pigmentów, które pochłaniają promieniowanie UV, a tym samym utrudniają uzyskanie wyraźnych obrazów. W kontekście obrazowania mózgu myszy przed i po oczyszczeniu, różnica w jakości obrazów jest wyraźnie zauważalna. W obrazach uzyskanych przed oczyszczaniem widoczny jest wysoki poziom tła, wynikający z silnego pochłaniania światła przez lipidy i pigmenty, co powoduje niską kontrastowość obrazu. W efekcie, trudne staje się rozróżnienie jądra komórkowego od tła. Po zastosowaniu metody oczyszczania, kontrast znacząco wzrasta, co umożliwia lepsze uwidocznienie szczegółów, takich jak indywidualne jądra komórkowe. Co więcej, poprawia się także głębokość obrazowania. Po oczyszczeniu udało się uzyskać obrazy z głębokości nawet trzykrotnie większej niż przed zabiegiem oczyszczania, umożliwiając lepsze badanie struktur wielowarstwowych.

Znaczną poprawę jakości obrazu uzyskano także dzięki rozwinięciu systemu obrazowania przy użyciu dwóch widoków (DV-OR-PAM). Poprzez zastosowanie dwóch wiązek światła UV, skierowanych ortogonalnie, możliwe było znaczne zwiększenie rozdzielczości osiowej. Ta innowacja pozwoliła na uzyskanie bardziej izotropowego obrazu, w którym rozdzielczość w kierunkach bocznych i osiowych jest zbliżona. Dwa zestawy danych, połączone za pomocą transformacji afinicznej i obróbki dekonwolucji Richardson–Lucy, umożliwiły stworzenie jednego obrazu o wyższej jakości.

Systemy oparte na opto-ultradźwiękowych łącznikach optycznych (OUC) stały się popularną metodą w refleksyjnych konfiguracjach UV-PAM. Niedawno opracowana metoda MEMS-UV-PAM, wykorzystująca mikroelektromechaniczne systemy, umożliwiła szybkie i nieniszczące obrazowanie tkanek ludzkich. Dzięki wysokiej rozdzielczości lateralnej wynoszącej 1,2 μm, system ten stał się obiecującym narzędziem w diagnostyce intraoperacyjnej, zwłaszcza w analizie tkanek nowotworowych. Przykład zastosowania MEMS-UV-PAM w obrazowaniu tkanek okrężnicy pacjenta potwierdził, że system ten jest w stanie uzyskać obrazy, które są niemal identyczne z klasycznymi preparatami barwionymi H&E, przy jednoczesnym zachowaniu wszystkich kluczowych cech morfologicznych tkanek.

Innym interesującym rozwiązaniem jest wykorzystanie pierścieniowych transduktorów ultradźwiękowych w systemach UV-PAM. Dzięki ich prostocie i elastyczności, możliwe stało się uzyskanie obrazów refleksyjnych bez konieczności stosowania skomplikowanych procesów przygotowawczych, jak w przypadku klasycznych systemów transmisyjnych. Ponadto, pierścieniowe transduktory pozwalają na łatwiejsze uzyskanie obrazów z grubszych tkanek, co jest szczególnie istotne w przypadku tkanek biomedycznych o większej grubości.

Ważnym krokiem w rozwoju tej technologii było także zastosowanie techniki barwienia pseudo-kolorowego, które umożliwia uzyskanie obrazów o wysokiej jakości w diagnostyce histopatologicznej. Przykładem może być obrazowanie tkanek okrężnicy, gdzie po zeskanowaniu próbek przy użyciu systemu MEMS-UV-PAM, udało się uzyskać obrazy o jakości porównywalnej z tradycyjnymi preparatami histologicznymi, a także zidentyfikować różnice między zdrowymi, granicznymi i nowotworowymi obszarami.

Jak kształtowanie fali wpływa na rozwój endoskopii fotoakustycznej?

W ciągu ostatniej dekady rozwój technologii fotoakustycznej umożliwił znaczny postęp w diagnostyce medycznej, szczególnie w obszarze endoskopii. Zastosowanie tej technologii w połączeniu z metodą kształtowania fali otworzyło nowe możliwości w wizualizacji tkanek w trudnodostępnych częściach ciała. Celem tego podejścia jest precyzyjne kierowanie światłem przez medium rozpraszające, takie jak tkanki żywe, co stanowi ogromne wyzwanie technologiczne.

Pierwsze demonstracje kształtowania fali miały miejsce w 2007 roku, kiedy to Vellekoop i jego zespół zaprezentowali możliwość ogniskowania światła przez rozpraszające media. Pomimo ogromnego postępu w tej dziedzinie, kluczowym problemem, który wciąż stanowi barierę w aplikacjach in vivo, jest utrzymanie wydajności ogniskowania w głębokich tkankach. Dzieje się tak ze względu na krótki czas dekorrelacji pikseli, który występuje w żywych tkankach – to zjawisko stanowi istotną trudność w uzyskaniu stabilnych obrazów w czasie rzeczywistym. W badaniach przeprowadzonych przez Zhao i innych zauważono, że zaburzenia światła wywołane przez dynamiczne ruchy tkanek, takie jak przepływ krwi, można podzielić na komponent stały, który nie zmienia się pomiędzy dwoma oddechami, oraz na szybki komponent, wynikający z szybki zmian w strukturze tkanek. Wprowadzenie technik takich jak cyfrowa koniugacja fazowa (DPC) pozwoliło na stopniowe poprawianie ogniskowania światła poprzez iteracyjne pomiary w czasie między oddechami, co wykazało potencjał w poprawie jakości obrazów w żywych tkankach.

Jednakże, chociaż podejście DPC jest obiecujące, nie jest odpowiednie do zastosowań in vivo ze względu na konieczność inwazyjnego wprowadzenia urządzeń do organizmu. Niemniej jednak koncepcja dwóch komponentów, które mogą być odseparowane – stałego i szybko zmieniającego się, może mieć zastosowanie w endoskopii fotoakustycznej, gdzie wykorzystywana jest nieinwazyjna koniugacja fazowa do precyzyjnego ogniskowania światła.

Rozwój technologii, takich jak ultrafast modulatory światła oraz algorytmy modulacyjne, pozwolił na przezwyciężenie problemów związanych z dekorrelacją światła, szczególnie przy dużych ruchach tkanek. W badaniach przeprowadzonych przez Tzanga i współpracowników w 2019 roku, zastosowano układ grating light valve (GLV) z tysiącami wolnostojących taśm krzemowych, co umożliwiło modulację światła z częstotliwością do 350 kHz. Dzięki zastosowaniu tego urządzenia, możliwe stało się precyzyjne ogniskowanie światła, które mogło zostać wykorzystane do kierowania światła przez żywe tkanki z zastosowaniem fotoakustycznych przewodników.

Technika ta umożliwia także uzyskanie lepszej penetracji w głąb tkanek, dzięki czemu możliwe jest tworzenie dokładniejszych obrazów naczyń krwionośnych, co jest istotne w diagnostyce chorób układu krążenia czy nowotworów. Jednym z przykładów udanych zastosowań jest rozwój endoskopów fotoakustycznych na bazie MMF, które mogą wykorzystywać zarówno światło fluorescencyjne, jak i fotoakustyczne, do równoczesnego obrazowania różnych właściwości tkanek.

Nie można jednak zapominać o wyzwaniach związanych z długim czasem pozyskiwania obrazów w przypadku technik fotoakustycznych, szczególnie gdy wymagają one skanowania wielu punktów. Chociaż metody takie jak DOPC umożliwiają uzyskanie ogniskowania światła przez MMF, wiążą się one z czasochłonnymi procesami optymalizacji i wymagają precyzyjnego ustawienia systemu optycznego. Dlatego, mimo że technologie te oferują ogromny potencjał, ich wykorzystanie w praktyce klinicznej wciąż wymaga dalszego rozwoju i uproszczenia.

Warto również dodać, że rozwój czujników ultradźwiękowych opartych na włóknach optycznych stanowi kluczowy element miniaturyzacji systemów fotoakustycznych. W 2020 roku Mezil i współpracownicy zaprezentowali nowoczesną sondę fotoakustyczną, która, dzięki zastosowaniu włókien optycznych, mogła osiągnąć nie tylko wysoką rozdzielczość przestrzenną, ale również umożliwić jednoczesne obrazowanie metodą fotoakustyczną i fluorescencyjną. Dzięki tej technologii możliwe stało się uzyskiwanie obrazów z małych obszarów tkanek przy minimalnej inwazyjności.

Krokiem ku przyszłości będzie dalsza miniaturyzacja systemów fotoakustycznych, połączona z optymalizacją algorytmów do przetwarzania danych oraz poprawą wydajności urządzeń optycznych. Ostatecznie, połączenie różnych technologii, takich jak modulatory światła, fotoakustyka i miniaturowe czujniki ultradźwiękowe, może stworzyć nowe możliwości w diagnostyce medycznej, szczególnie w obszarach wymagających precyzyjnej wizualizacji tkanek w żywych organizmach.

Jak wykorzystać kompozyty Au-PDMS i CNF-PDMS w generowaniu ultradźwięków za pomocą światłowodów?

Kompozyty oparte na światłowodach i materiałach optycznych zyskały na znaczeniu w kontekście generowania ultradźwięków za pomocą technologii opto-ultradźwiękowej (OpUS). Jednym z najnowszych przykładów takich zastosowań jest kompozyt Au-PDMS, który okazał się niezwykle efektywny w generowaniu ultradźwięków. Po pokryciu rdzenia światłowodu multimodalnego (o średnicy 400 µm) roztworem Au-PDMS i naświetleniu go światłem o długości fali 532 nm (impuls o długości 6 ns), osiągnięto ciśnienia ultradźwiękowe rzędu 0,64 MPa, mierzone w odległości 1 mm od powierzchni. Co więcej, pasma ultradźwiękowe, które były rejestrowane, przekroczyły 20 MHz, co stanowiło znaczną poprawę wydajności w porównaniu do wcześniejszych badań, takich jak prace Wu et al. [133]. Efektywność konwersji fotoakustycznej była ponad pięć rzędów wielkości wyższa niż w przypadku standardowej metalowej powłoki Al oraz trzy razy wyższa od kompozytu Gr-Ep opracowanego przez Menichelliego et al. [105]. Chociaż efektywność była o rząd mniejsza niż w przypadku standardowego kompozytu MWCNT-PDMS, wyniki te były jednym z pierwszych dowodów na to, że obrazowanie ultradźwiękowe w MIS (minimalnie inwazyjnej chirurgii) jest możliwe przy użyciu światłowodowych nadajników OpUS, co zostało udowodnione przez obrazy o wysokiej rozdzielczości tkanek zwierzęcych.

Jako alternatywę do tradycyjnego pokrywania światłowodów metodą dip-coating, wykorzystano metodę FIB (fokowane wiązki jonów), która pozwala na precyzyjne kształtowanie grubości kompozytu. Takie podejście pozwala na uzyskanie cienkich warstw materiałów, co z kolei minimalizuje tłumienie akustyczne wyższych częstotliwości ultradźwięków. Przykład Tian et al. [122] pokazuje, jak nanostruktury złota, opracowane za pomocą FIB, mogą poprawić wydajność ultradźwiękową. Zmniejszenie grubości kompozytu przekłada się na szersze pasmo ultradźwięków, co pozwala na uzyskanie lepszych wyników w zakresie detekcji i obrazowania.

Inną interesującą metodą jest elektrospinning, który jest stosowany do wytwarzania kompozytów CNF-PDMS. W pracy Poduvala et al. [125] opisano stworzenie warstw CNF (nanowłókna węglowe) na końcu światłowodu o średnicy 200 µm, które następnie zostały pokryte warstwą PDMS. Struktura kompozytu, uzyskana za pomocą elektrospinningu, charakteryzuje się dobrą integracją obu materiałów, co przekłada się na znacznie wyższą wydajność w porównaniu do standardowych filmów dip-coating. Uzyskane w ten sposób kompozyty CNF-PDMS wykazują szerokie pasma ultradźwiękowe i wysokie ciśnienie akustyczne, co stanowi istotną przewagę w kontekście zastosowań medycznych.

Na uwagę zasługuje także efekt ułożenia włókien CNF względem polaryzacji światła lasera. Poduval et al. zauważyli, że włókna, które były wyrównane wzdłuż osi światłowodu, wykazywały lepszą absorpcję optyczną, co prowadziło do uzyskania wyższych ciśnień ultradźwiękowych. Takie kontrolowanie układu włókien pozwala na uzyskanie kompozytów o zoptymalizowanej wydajności, co jest istotne w kontekście projektowania materiałów do precyzyjnego obrazowania.

Wszystkie te technologie, oparte na modyfikacjach materiałów w zakresie światłowodów, umożliwiają tworzenie nowoczesnych systemów obrazowania ultradźwiękowego o wysokiej rozdzielczości. Wykorzystanie materiałów takich jak Au-PDMS, CNF-PDMS, czy MWCNT-PDMS otwiera nowe perspektywy w dziedzinie medycyny, szczególnie w diagnostyce minimalnie inwazyjnej, gdzie precyzyjne i niskoinwazyjne obrazowanie staje się kluczowe.