Protoakustisk avbildning, särskilt när det gäller detektering av protonterapi, har genomgått en betydande utveckling under de senaste åren. Tekniken använder akustiska vågor som genereras vid interaktionen mellan protonstrålar och vävnad, och genom att analysera dessa vågor kan man få en detaljerad bild av dosfördelningen. Dock är en av de största utmaningarna vid användningen av enkla detektorer för protoakustik att det inte går att skapa 3D-bilder eller realtidsdosimetri med en enda transduktor utan en translational stage för mekanisk rörelse. För att övervinna dessa begränsningar har det skett ett skifte mot användningen av matriser av transduktorer, vilket möjliggör 3D-avbildning och realtidsdosimetri.

Denna förändring har öppnat upp för protoakustisk avbildning som en potentiellt revolutionerande metod inom cancerbehandling. Genom att använda transduktorarrayer kan man rekonstruera dosfördelningar och skapa en 3D-bild av hur protonstrålen deponerar sin energi. Studier har redan visat lovande resultat för denna metod. En sådan studie visade hur en 3D-protoakustisk avbildningsarbetsflöde med en matris-array kunde återskapa dosen och identifiera frekvenskarakteristika från de protoakustiska signalerna. De senaste framstegen inom transduktorarray-teknologi har därmed gjort det möjligt att gå vidare mot realtidsdosimetri och potentiellt ge mer exakt information om strålens påverkan på vävnaden under behandlingen.

I samband med detta måste signalbehandling spela en avgörande roll, särskilt med tanke på den låga signal-brus-förhållandet (SNR) som är vanligt i protoakustiska mätningar. För att förbättra SNR har olika tekniker utvecklats, såsom användning av lågpassfilter och vågletfilter. En särskild metod som har visat sig effektiv är användningen av Savitzky-Golay-filter, vilka har visat sig avsevärt förbättra SNR i samband med enskilda pulsmätningar. Detta tyder på att signalbehandlingen är en avgörande faktor för att uppnå den precision som krävs för att korrekt visualisera dosfördelningen och lokalizera Bragg-toppen.

Rekonstruktionsalgoritmer spelar också en central roll i protoakustisk avbildning, särskilt när det gäller att visualisera Bragg-toppen och den tillhörande dosinformationen. Det har utvecklats flera olika algoritmer för detta syfte, inklusive modifierade backprojektion-algoritmer och modellbaserade rekonstruktioner. Ett innovativt angreppssätt är användningen av djupinlärning och konvolutionella neurala nätverk (CNN), vilket har visat sig ge en förbättrad bildkvalitet även vid begränsad synvinkel. Genom att använda dessa algoritmer kan högkvalitativa 3D-dosimetriuppgifter rekonstrueras från protoakustiska signaler, vilket gör det möjligt att exakt verifiera dosen under protonterapi.

En av de mest betydelsefulla fördelarna med protonstråleterapi är förmågan att lokalisera Bragg-toppen, där protoner deponerar sin energi i vävnaden. Att exakt bestämma positionen för denna topp är dock en utmaning, och många studier har visat på vikten av att kunna lokalisera den med en noggrannhet på mindre än 100 mikrometer. Detta kräver tekniker för att reducera brus och öka signalens klarhet. Användning av SFII-vågor (Spherical Ionoacoustic Waves) har också visat sig vara lovande, där experiment visat att dessa vågor kan användas för att minska osäkerheten i Bragg-toppslokaliseringen genom att korrelera signalens amplitud med strålens räckvidd.

Förutom att lokalisera Bragg-toppen är dosimetri i levande vävnad en annan viktig aspekt av protonterapi. Att kunna mäta dosen direkt i patientens vävnad är avgörande för att säkerställa att den riktade strålbehandlingen levereras korrekt. Genom att relatera signalens amplitud till den deponerade laddningen kan dosen beräknas med hög precision. Detta är en fördelaktig egenskap i protoakustisk avbildning, eftersom det möjliggör en direkt bedömning av den deponerade dosen under behandlingen.

Den senaste tekniken och forskningen kring protoakustisk avbildning och signalbehandling är fortfarande i utvecklingsfasen, men de potentiella fördelarna för precisionsmedicin och strålbehandling, särskilt vid cancerbehandling, är enorma. Framsteg som gör det möjligt att skapa 3D-bilder och förbättra SNR kommer att vara avgörande för att implementera dessa tekniker i klinisk praxis.

Den fortsatta utvecklingen av algoritmer för bildrekonstruktion, tillsammans med användningen av mer avancerade transduktorarrayer, kommer troligen att leda till nya möjligheter inom strålbehandling, där dosimetrin kan utföras i realtid och med högre noggrannhet. Eftersom protoakustisk avbildning fortfarande är ett relativt nytt forskningsområde, är det avgörande att följa utvecklingen noggrant och bidra till att lösa de tekniska och praktiska utmaningar som finns.

Hur olika nanomaterial påverkar optoakustiska ultraljudsgenereringar: En jämförelse av kompositmaterial

I den senaste forskningen om optoakustiska ultraljudsgeneratorer (OpUS) har användningen av olika nanomaterial som kan förbättra fotoakustisk omvandling och ultraljudstryck visat sig vara ett lovande område. Bland de mest undersökta materialen är kolnanorör (MWCNT), kolnanofibrer (CNF), samt nyare tillskott som kandel- sot nanopartiklar (CSNP) och reducerat grafenoxid (rGO). Varje material erbjuder unika fördelar beroende på sin struktur och optiska egenskaper, vilket påverkar deras användning inom OpUS-teknologin.

Mångfaldiga studier har visat att MWCNT-PDMS-kompositer, när de utsätts för en laserpuls, producerar en optoakustisk spektrum som mycket väl matchar inmatningspulsen, vilket understryker beroendet av det specifika laserkällans frekvens. När jämfört med guld (Au)-baserade kompositer, uppvisade MWCNT-PDMS material dubbelt så hög akustisk trycknivå. Detta fenomen kan förklaras av de unika optiska absorptionsegenskaperna hos MWCNT i PDMS-matrisen, vilket gör att dessa kompositer är mycket effektiva vid konvertering av laserenergi till akustisk energi vid höga frekvenser.

Vid sidan om MWCNT, har CNF också undersökts för sin förmåga att skapa höga akustiska tryck. Till skillnad från MWCNT, som har en flerlagrig grafenstruktur, består CNF av staplade konformade grafenblad. En av fördelarna med CNF är deras kostnadseffektivitet och hanterbarhet, vilket gör dem lämpliga för användning på större ytor, inklusive optiska fiberändar. Elektrospinning är den vanligaste metoden för att distribuera CNF på ytor, vilket gör det möjligt att exakt kontrollera tjockleken på CNF-lagret och därigenom minska dämpningen av de akustiska vågorna som genereras. En plan elektrospunnen CNF-PDMS-komposit har visat sig producera ultraljudstryck på hela 12,15 MPa, ett av de högsta trycken som rapporterats för plana, icke-fokuserade OpUS-sändare.

En annan lovande nanomaterialkategori för OpUS är kandel-sot nanopartiklar (CSNP), som har fångat uppmärksamheten på grund av sin 3D-hierarkiska struktur och enkla syntesmetod. CSNP:er kan tillverkas genom att hålla ett substrat över en brinnande ljuslåga, vilket gör det möjligt att snabbt skapa ett optiskt absorberande skikt. Denna syntesmetod tillåter skapandet av tunna, flexibla skikt som kan användas i kombination med PDMS för att skapa mycket effektiva fotoakustiska kompositer. En CSNP-PDMS-komposit har visat sig producera tryck på 4,8 MPa, vilket är dubbelt så högt som vad som uppnåtts med CNF-baserade kompositer under samma laserimpuls.

Vidare har grafit, både som ren film och i kompositform, visat sig vara användbar som optisk absorber för OpUS. Grafit, med sin förmåga att absorbera ett brett spektrum av optisk strålning, erbjuder en robust lösning för att skapa stabila och hållbara OpUS-enheter. Ett intressant exempel är användningen av grafit i kombination med epoxyharts för att skapa kompositer med optoakustiska egenskaper, som har visat sig vara extremt tåliga vid hög temperatur och tryck.

En särskilt intressant utveckling är användningen av reducerat grafenoxid (rGO), ett material som erbjuder både hög termisk ledningsförmåga och en stor yta. RGO har visat sig vara effektivt som en optisk absorber i kompositer, och genom att kombinera rGO med ett tunt lager aluminium (Al) har man lyckats skapa OpUS-sändare med mycket höga akustiska tryck, upp till 7,5 MPa. Denna metod utnyttjar de unika strukturella egenskaperna hos rGO, vilket gör det till ett attraktivt alternativ för framtida ApUS-applikationer.

Det är viktigt att förstå att alla dessa material och teknologier är beroende av exakt kontroll av flera faktorer, inklusive tjocklek på kompositmaterialet, koncentration av nanomaterial och specifika laseregenskaper (som laserpulsens varaktighet och energi). Den akustiska dämpningen, som orsakas av högre frekvenser som sprids längre bort från ytan, samt variationer i laserenergi, spelar en central roll i att definiera hur effektiva dessa material är för praktisk användning. För att optimera OpUS-genereringen är det avgörande att förstå dessa dynamiska interaktioner och hur de påverkar både materialets förmåga att generera ljudvågor och deras långsiktiga stabilitet vid upprepad användning.

Hur Archimedes löste Hieron’s problem och upptäckte principer om flytbarhet
Hur hybriddrift kan optimera bränsleförbrukning och funktioner i moderna fordon
Hur kan olika PCC-teknologier påverka elproduktionskostnader och framtida CO2-användning?