Hur kan fotoakustisk spektrumanalys användas för att klassificera prostatacancer och andra sjukdomar?

Fotoakustisk spektrumanalys (PA) har visat sig vara en mycket lovande metod för att snabbt och exakt analysera biologisk vävnad och cancer. Genom att undersöka förhållandet mellan de höga och låga frekvenserna i PA-signalens spektrum kan vi få insikt i strukturella och kemiska förändringar i vävnaden som indikerar sjukdomens utveckling. Detta gäller särskilt för prostatacancer, där den biologiska strukturen hos vävnaden ändras beroende på cancerns aggressivitet.

När man analyserar prostatabiopsier, som består av en 15 mm lång biopsinål med en liten mängd tumörvävnad (cirka 20–30%), kan det vara svårt att få exakta resultat från enbart den fotoakustiska spektroskopin om hela biopsin nålen används för analys. Detta beror på att den normala vävnaden kan dominera det totala spektrumet, vilket gör att den strukturella storleken som fångas upp av PA-signalens spektrum inte nödvändigtvis återspeglar tumörens faktiska egenskaper. För att förbättra noggrannheten krävs att man selektivt fokuserar på tumörregionen, vilket gör det möjligt att undvika påverkan från den normala vävnaden.

En metod som har visat sig användbar för att uppnå denna selektivitet är den kontinuerliga våglettransformen (CWT). Genom att använda CWT kan vi få information om fördelningen av frekvenser i både tids- och frekvensdomänerna för PA-signaler. För prostatacancer, där skillnaden mellan cancervävnad och normal vävnad är relaterad till storleken på körtelrummen, gör denna metod det möjligt att utnyttja frekvensdifferenserna mellan cancervävnad och normal vävnad. På så sätt kan man utesluta påverkan från den normala vävnaden och mer exakt karakterisera tumören.

För att ytterligare förbättra klassificeringen av prostatacancer har användning av djupa neurala nätverk (DNN) som konvolutionella neurala nätverk (CNN) visat sig vara mycket effektiv. CNNs är särskilt populära inom djupinlärning på grund av deras förmåga att skapa detaljerade representationer av data, snabba inferenser och dela filter. Inom prostatacanceranalys har den djupa residualnätverksmodellen ResNet-18 visat sig vara särskilt framgångsrik vid bildklassificering och klassificering av tumörens aggressivitet baserat på PA-TFS-bilder.

I en studie där PA-TFS användes för att klassificera aggressiviteten hos prostatacancer visade resultaten att ju högre Gleason-score (GS), desto mindre var körtelrummens storlek och desto större var heterogeniteten inom tumören. PA-TFS-analysen gav en noggrannhet på 89 % vid 1210 nm och 92 % vid 1310 nm, vilket gör det möjligt att på ett snabbt och objektivt sätt bedöma tumörens aggressivitet. Den totala testtiden för denna metod var mycket kort, vilket gör den potentiellt användbar för kliniska tillämpningar där snabb och exakt diagnos är avgörande.

En annan viktig tillämpning av PA-spektroskopi är inom bröstcancer. Extracellulär matrix (ECM), som består främst av kollagen, genomgår förändringar under cancerutveckling. Traditionella metoder som histopatologiska undersökningar är invasiva och begränsade till in-vitro-vävnader, medan PA-spektroskopi kan ge möjlighet till in vivo och realtidsdetektion av kollagen. Genom att använda PA-PCS (fotoakustisk kraftspektrum) har forskare kunnat skilja mellan olika molekylära subtyper av bröstcancer, såsom HER2-berikad, luminal och trippelnegativ bröstcancer. Genom att använda PA-PCS för att mäta kollagenhalten i tumörvävnad har man identifierat signifikanta skillnader i kollagen mellan de olika subtyperna, vilket kan bidra till bättre förståelse av ECM-förändringar och användas för klassificering av bröstcancer.

Sammanfattningsvis kan fotoakustisk spektrumanalys ge värdefull information om vävnadens mikrostruktur och kemiska sammansättning, vilket gör det möjligt att noggrant och snabbt identifiera cancer och bedöma dess aggressivitet. Genom att kombinera dessa teknologier med avancerad bildbehandling och maskininlärning kan vi förvänta oss ytterligare framsteg inom diagnostik och patientvård.

Hur miniaturiserade hjärnavbildningstekniker förändrar neuros forskningen

Miniatyriserade hjärnavbildningstekniker har revolutionerat vårt sätt att förstå hjärnans funktion och dysfunktion, och möjliggör insikter om hjärnans struktur, blodflöde, elektrofysiologi och metabolisk aktivitet. Dessa teknologiska framsteg erbjuder realtidsvisualisering av hjärnan på ett kostnadseffektivt och portabelt sätt. Genom att minska storleken på apparaterna har man öppnat dörren till ett brett spektrum av användningsområden inom biomedicinsk forskning, särskilt när det gäller att studera hjärnan i rörelse eller i fält där rörliga objekt är involverade.

Funktionell hjärnavbildning kan delas upp i invasiva och icke-invasiva tekniker. Invasiva metoder, såsom elektrodenheter som implanteras i hjärnan, ger enastående upplösning på cellulär nivå och är oumbärliga för studier av neuronala elektriska aktiviteter. Å andra sidan, icke-invasiva metoder som elektroencefalografi (EEG) mäter de kollektiva postsynaptiska potentialerna i neuronala grupper men har en lägre rumslig upplösning. De senaste framstegen inom portabla EEG-enheter har lett till trådlösa lösningar som gör det möjligt att övervaka hjärnaktivitet kontinuerligt, vilket i sin tur öppnar upp för långsiktiga och dynamiska studier. Detta möjliggör för hjärn-dator-gränssnitt (BCI) att utvecklas vidare och göra stora framsteg.

För att visualisera cellulär eller molekylär aktivitet används fluorescensmikroskopi, vilket är en mycket känslig och specifik metod. Traditionell fluorescensmikroskopi använder en enkel foton för att excitera fluoroforer, medan multiphotonfluorescensmikroskopi, som använder flera fotoner, gör det möjligt att tränga djupare i vävnad. Detta innebär att man kan nå vävnader på flera hundra mikrometer utan att försämra upplösningen alltför mycket. Multiphotonmikroskopi minskar också bakgrundsbruset och fotodamagen, men kommer på bekostnad av en något reducerad temporal upplösning och bildfält.

När det gäller att tränga ännu djupare in i vävnaden erbjuder fotoakustisk (PA) avbildning en banbrytande lösning. Genom att kombinera ljus och ljud möjliggör PA-teknologin avbildning bortom den optiska fria vägen, vilket ger högre upplösning och molekylär specifikation. En annan lovande teknik är funktionell ultraljudsbildbehandling (fUS), som kan ge fullständig bild av hjärnans blodflöde i en mycket hög uppdateringsfrekvens. Detta gör det möjligt att få ett mycket bra signal-brusförhållande (SNR), vilket är avgörande för att korrekt kunna mäta hjärnans funktion.

Magnetisk resonansavbildning (fMRI) är fortfarande en hörnsten inom både klinisk och preklinisk forskning, men dess stora och tunga setup begränsar dess flexibilitet. I jämförelse kan magnetoencefalografi (MEG) erbjuda en icke-invasiv metod för att mäta de magnetiska fälten som produceras av hjärnans elektriska aktivitet. Nyare framsteg inom optiskt pumpade magnetometrar (OPM) har bidragit till en miniaturisering av dessa apparater och därmed ökat deras känslighet och dynamiska område. OPM, som inte kräver vätskehelium, har potentialen att förändra kognitiv forskning, särskilt inom områden som perception, uppmärksamhet, minne och beslutsfattande.

Miniatyriserade hjärnavbildningstekniker har potentialen att avsevärt förändra neurovetenskaplig forskning genom att göra det möjligt att studera hjärnan på ett mer dynamiskt och flexibelt sätt. Genom att använda avancerade teknologier för att visualisera funktionell aktivitet, blodflöde och neuronala nätverk i realtid, ger dessa teknologier nya möjligheter för diagnos och behandling av neurologiska sjukdomar och störningar. Det är också viktigt att förstå att dessa framsteg innebär både möjligheter och utmaningar när det gäller att uppnå tillräcklig upplösning och prestanda utan att tumma på användbarheten eller kostnadseffektiviteten.

Framtiden för miniaturiserad hjärnavbildning ligger i utvecklingen av mer robusta och portabla enheter som kan användas i fält och kliniska miljöer. Forskningen kommer att behöva fokusera på att övervinna de tekniska begränsningarna av varje metod, såsom upplösning, djuppenetration, och realtidsbearbetning, samtidigt som man bibehåller en hög användarvänlighet och tillförlitlighet. Ett annat viktigt område är att integrera flera av dessa teknologier för att ge en mer omfattande och holistisk bild av hjärnans funktion i olika fysiologiska tillstånd.

Hur kan fotoakustisk mikroskopi (PAM) tillämpas inom kliniska områden som cancerbiologi och dermatologi?

Fotoakustisk mikroskopi (PAM) är en framväxande teknik som har potential att revolutionera flera medicinska och biologiska områden genom att erbjuda högupplösta bilder av vävnader och blodflöden i realtid. Den grundläggande principen bakom PAM bygger på det akustiska signalens svar på laserinducerad uppvärmning, där vävnadens optiska egenskaper påverkar signalens intensitet och tidsförlopp. Med denna teknik kan man undersöka djupa vävnader, inklusive sådana som annars kan vara svåra att visualisera med traditionella bildtekniker som MR eller ultraljud.

När temperaturen i vävnaden ökar, ökar även fotoakustiska signalens amplitud, medan den akustiska flygtiden mellan vävnaderna minskar. Detta ger en snabb och exakt avbildning av vävnadens strukturer, vilket är särskilt användbart vid undersökning av blodflöden och mikrovaskulära förändringar. Genom att justera laserparametrarna och optimera det akustiska detekteringssystemet kan PAM ge detaljerade bilder av blodkärl och tumörmikromiljöer på mikroskopisk nivå, något som är särskilt intressant inom cancerbiologi och neurologi.

Ett av de mest lovande områdena för PAM är inom cancerbiologi, där tekniken används för att övervaka angiogenes – processen där nya blodkärl bildas för att försörja växande tumörer med näring och syre. Detta är en av tumörens nyckelfunktioner och en viktig aspekt vid utvecklingen av cancermediciner. PAM har visat sig effektiv i att visualisera denna neovaskulära process, vilket gör det möjligt att övervaka tumörers svar på behandlingar som strålning. Genom att tillämpa PAM i musmodeller, har forskare kunnat kartlägga förändringar i kärldensitet och struktur hos tumörer, samt följa effekterna av olika behandlingsmetoder.

Inom neurovetenskap har PAM också haft stor betydelse för att studera hjärnans hemodynamik och blodflöde. Genom att använda tekniken för att mäta parametrar som cerebral blodflöde (CBF) och syreextraktionsfraktion (OEF), kan man få insikt i hjärnans funktion och hur den reagerar på olika stimuli, som till exempel elektrisk stimulering av bakbenen hos möss. PAM har också tillämpats för att kartlägga blodflödet i hjärnan under olika fysiologiska tillstånd, vilket ger viktig information om hjärnans hälsa och funktion.

En annan framstående tillämpning av PAM är inom bröstcancer. Här används tekniken för att förbättra precisionen vid tumörresektioner genom att visualisera vävnader på en mikroskopisk nivå, vilket gör det möjligt att identifiera och avlägsna tumörvävnad mer effektivt. Denna metod är särskilt användbar vid bröstbevarande kirurgi, där man vill minimera risken för återfall och bevara så mycket frisk vävnad som möjligt. Genom att använda UV-exiterad PAM kan man visualisera cellkärnornas struktur och därmed differentiera tumörvävnad från frisk vävnad med hög upplösning.

PAM har också visat sig användbar för att undersöka retina, där det kan användas för att analysera neovaskulärisation i samband med ögonsjukdomar som diabetisk retinopati eller retinal venös ocklusion. Eftersom ögat är optiskt genomskinligt, är det en idealisk plats för PAM att fånga detaljerad information om retinala blodkärl och förändringar i vaskulära strukturer. Den höga upplösningen och känsligheten för hemoglobin gör att PAM kan användas för att kvantifiera retinala förändringar och för att övervaka sjukdomsprogression.

Slutligen är dermatologin ett annat område där PAM har stort potential. Traditionella metoder för hudundersökning som dermatoskopi har begränsad djupförmåga och låg optisk kontrast. Med PAM kan man avbilda mikrovaskulaturen på ett mycket högre djup än med andra tekniker, vilket gör det möjligt att studera hudsjukdomar som hudtumörer, psoriasis och andra vaskulära störningar på ett mer detaljerat sätt. Tekniken har använts för att observera vaskulära förändringar i samband med inflammatoriska hudsjukdomar och för att övervaka dynamiska förändringar efter lokal uppvärmning av huden.

Förutom att vara ett diagnostiskt verktyg erbjuder PAM också viktiga insikter i vävnadens fysiologi och patologi, vilket gör det till en oumbärlig metod för att förstå de biologiska mekanismerna bakom olika sjukdomstillstånd.

Endtext

Hur fotoakustisk avbildning förbättrar diagnos och behandling av bröstcancer

Fotoakustisk avbildning (PAI) har blivit ett lovande verktyg inom diagnostik och behandling av bröstcancer, tack vare sin förmåga att kombinera både funktionella och anatomiska data för att ge detaljerade bilder av tumörer. Tekniken baseras på fotoakustiska effekter där ljudvågor genereras av vävnad som absorberar laserljus, vilket ger insikter om vävnadens sammansättning och blodflöde. I samband med bröstcancer kan PAI hjälpa till att identifiera och karakterisera tumörer genom att visualisera specifika tumörsiffror, såsom hemoglobin (HbT) koncentration och syremättnad, samt de blodkärl som omger tumören.

En viktig egenskap som skiljer cancervävnad från normal vävnad är det höga HbT-koncentrationen i tumören. Detta beror på hypoxiska förhållanden (brist på syre) som uppstår när tumörer växer. Hypoxi stimulerar uttrycket av vaskulär endotelial tillväxtfaktor (VEGF), vilket leder till bildandet av kapillärer som är mer genomsläppliga. Som ett resultat har tumörer ofta ett ökat HbT-värde i förhållande till normal vävnad, vilket kan visualiseras på en HbT-karta. Denna metod har visat sig vara effektiv för att lokalisera tumörer och mäta deras vävnadsegenskaper, vilket ger värdefull information för vidare behandling.

Blodkärlens täthet är en annan viktig indikator på tumörens egenskaper. Tumörer tenderar att ha ett ökat blodkärlstillväxt (angiogenes), vilket reflekteras i en ökad kärntäthet. Studier har visat att högre kärntäthet, som visualiseras på vaskulära täthetskartor, är ett starkt tecken på malignitet. Detta gör det möjligt att identifiera och övervaka tumörer under behandling, särskilt i fall av invasiva ductala carcinom eller infiltrativa lobulära carcinom.

En mer avancerad funktion är analysen av vaskulära förgreningspunkter (VBP). VBP-analys har visat att det finns fler förgreningspunkter i vävnaden runt en tumör jämfört med friska bröstvävnader, vilket tyder på att angiogenesen är intensivare i tumörområdet. Detta kan hjälpa till att identifiera malignitet genom att ge en mer detaljerad bild av tumörens vaskulära struktur.

Centripetala blodkärl (kärl som konvergerar från det normala vävnadslagret mot tumörens centrum) är också ett kännetecken för tumörer, och det har visat sig vara en användbar indikator i PAI. Genom att visualisera denna centripetala kärlstruktur i kombination med övriga vaskulära mönster, kan PAI ge en mycket exakt bild av tumörens växt och form. Förutom vaskulära mönster kan även elastografi användas för att identifiera tumörer baserat på vävnadens styvhet. Maligna tumörer är vanligtvis stelare än normal vävnad, och detta kan utnyttjas för att lokalisera tumörer som inte alltid syns på traditionella bildsystem som ultraljud.

PAI spelar också en viktig roll i att övervaka behandlingseffekter, särskilt i samband med kemoterapi och andra molekylära behandlingar. Under kemoterapi har PAI visat att kärnstruktur, blodflöde och syremättnad minskar i tumören, vilket indikerar att behandlingen är effektiv och tumören genomgår nedbrytning. Samtidigt kan förändringar i hemoglobinnivåer och syresättning ge information om återhämtning och förändringar i tumörens mikromiljö efter behandling.

Studier har visat att PAI kan användas för att övervaka både strukturella och funktionella förändringar i tumören under hela behandlingsperioden, vilket hjälper till att justera och optimera behandlingsplaner. För att förbättra behandlingens resultat används även mikroskopisk PAI, där tumörcellernas metaboliska heterogenitet kan studeras, vilket ger insikter om resistens eller känslighet för specifika behandlingar. Genom att använda flerkanalsbilder och segmentering kan förändringar i tumörstorlek och blodflöde följas i realtid.

För framtiden innebär de senaste framstegen inom PAI att tekniken kommer att bli ännu mer användbar för att både diagnostisera och övervaka behandlingseffekter på bröstcancer. Med hjälp av denna metod kan vi förvänta oss mer detaljerade och precisa bilder, vilket möjliggör en mer individanpassad behandling och därmed förbättrade överlevnadsmöjligheter för patienter.

Hur ljus sprider sig genom biologisk vävnad och påverkar optiska avbildningstekniker

Ljusets spridning i biologisk vävnad är en komplex process som beror på flera faktorer som absorption, spridning och vävnadens optiska egenskaper. För att förstå denna dynamik är det avgörande att beakta hur ljuset interagerar med vävnadens olika komponenter. En grundläggande modell för ljusets spridning involverar användning av en temporär Dirac delta-puls, vilket innebär en mycket smal stråle av ljus eller en kollimerad ljusstråle. Denna typ av ljuskälla är ofta representativ för de initiala förhållandena som ljuset genomgår när det färdas genom vävnad.

Vävnadens optiska egenskaper, som absorption, spridning och refraktiv index, spelar en avgörande roll i ljusets förmåga att tränga igenom biologisk vävnad. För att belysa detta, kan man med hjälp av parametrar som absorptionskoefficienten μa = 1,4 cm−1 och spridningskoefficienten μs = 350 cm−1 förklara hur ljuset förlorar energi och ändrar sin väg under spridningen. Dessa koefficienter, tillsammans med andra faktorer som det anatomiska mikroskopiska nätverket av vävnad, bestämmer hur ljuset sprids och absorberas i vävnaden.

För optisk bildbehandling, är ljusets diffusionsliknande beteende en viktig utmaning. Diffusionen gör att ljuset inte följer en enkel rak väg utan istället sprider sig i olika riktningar. För att hantera denna effekt har olika tekniska lösningar och systemkonfigurationer utvecklats. Till exempel är det viktigt att förstå hur ljusets absorption påverkar vävnaden, då detta direkt relaterar till hur bilder tas och hur information om vävnaden kan extraheras.

Absorptionen av fotoner i vävnaden karakteriseras av absorptionskoefficienten μa, som anger sannolikheten att en foton absorberas per enhet längd i vävnaden. Det är också användbart att definiera absorptionens tvärsnittsarea (σa), som representerar förmågan hos en enskild absorber att absorbera ljus. För biologisk vävnad är det primärt hemoglobin, melanin och vatten som orsakar optisk absorption. Dessa molekyler har karakteristiska absorptionsspektra vid specifika våglängder. Till exempel absorberar oxyhemoglobin ljus vid 532 nm, medan deoxyhemoglobin har en absorption vid 558 nm. Denna kunskap är avgörande för att optimera valet av laserljuskälla för att förbättra signalen i tekniker som fotoakustisk avbildning.

Ljusets spridning i vävnad kan också modelleras genom Mie-teorin och Rayleigh-teorin beroende på storleken på de spridande partiklarna. Spridningen av fotoner beror på flera faktorer, inklusive storleken på strukturerna i vävnaden som kommer i kontakt med ljuset. I biologisk vävnad är storleken på spridningspartiklarna ofta mycket mindre än ljusets våglängd, vilket innebär att ljuset sprids på ett sätt som kan beskrivas av en modell för singelspridning. Spridningskoefficienten μs relaterar till sannolikheten för att en foton sprids i ett medium per enhet längd. Genom att förstå dessa interaktioner kan man bättre förutsäga hur ljuset kommer att spridas genom vävnad och därmed optimera avbildningsteknikerna.

Den totala interaktionskoefficienten, μt, som är summan av absorptions- och spridningskoefficienterna, påverkar hur djupt ljuset kan tränga in i vävnaden innan det förlorar sin energi eller riktning. Detta är en central parameter i ljusets transport genom vävnad, och det kan användas för att beräkna den medelfria vägen mellan interaktionshändelser, vilket ger insikter i hur ljuset kommer att uppföra sig i olika typer av vävnad.

För att förstå ljusets transport genom vävnad på en teoretisk nivå kan man använda olika modeller, bland annat diskreta modeller för individuella fotoninteraktioner eller kontinuerliga modeller som baseras på differentialekvationer. En vanlig metod är att använda Monte Carlo-simuleringar för att noggrant analysera dessa interaktioner. En annan vanlig ansats är att använda difussionsekvationen, som ger en förenklad approximation av fotonernas spridning genom vävnad. Båda dessa metoder ger värdefull information som är användbar i optiska bildtekniker.

Vid användning av fotoakustisk avbildning är det också viktigt att ta hänsyn till ljusets interaktion med vävnaden på molekylär nivå. Fotonernas absorption kan påverkas av koncentrationen av olika molekyler, såsom hemoglobin och dess syremättnad, vilket i sin tur kan användas för att identifiera vävnadsförändringar som kan indikera tumörer eller andra patologiska tillstånd. För att kunna använda dessa tekniker effektivt måste det finnas en god förståelse för hur de optiska egenskaperna hos biologisk vävnad påverkar avbildningens kvalitet och noggrannhet.

Det är också av vikt att förstå att de olika typerna av kontrastmedel som används i optiska bildtekniker varierar avsevärt i deras förmåga att interagera med ljus. Exogena kontrastmedel, såsom nanopartiklar och fluorescerande proteiner, har specifika absorptionsegenskaper som gör dem särskilt användbara för vissa typer av bildbehandling. Deras effektivitet mäts genom en parameter som kallas för "detektionssensitivitet", och denna kan variera från millimolära nivåer för mikroblåsor till pikomolära nivåer för nanopartiklar.

I slutändan ger en förståelse för ljusets interaktion med biologisk vävnad ett kraftfullt verktyg för att förbättra och utveckla nya avbildningstekniker som kan användas för att diagnostisera och behandla sjukdomar. För att optimera dessa tekniker krävs noggrann analys och val av rätt parametrar, samt anpassning till den specifika vävnadstyp som undersöks.