Hur UV-PAM-system påverkar histologisk analys och dess potentiella tillämpningar inom medicinsk diagnostik

UV-Pulsad akustisk bildbehandling (UV-PAM) är en lovande teknik inom den medicinska bildbehandlingssfären, som använder ultraviolett ljus för att uppnå högupplösta bilder av biologisk vävnad. Teknikens unika fördelar ligger i dess förmåga att belysa cellkärnor och andra mikroskopiska detaljer utan att behöva vävnadsbehandling eller färgning, vilket gör att den erbjuder en snabb och exakt metod för histologisk analys. Genom att utnyttja de optiska absorptionsegenskaperna hos biologiska vävnader under UV-ljuset kan UV-PAM ge kontrasterande bilder som liknar traditionell histologi men utan de tidskrävande och potentiellt felkällande stegen i vävnadsberedning.

När det gäller olika systemdesigns för UV-PAM, har forskare nyligen utvecklat system med högre upplösning och snabbare bildtagning för att möta de ökande kraven inom medicinsk diagnostik. En av de mer intressanta innovationerna är användningen av mikrolinsarray och 1D-array ultraljudstransduktorer för att förbättra bildtagningshastigheten. Denna multifokala UV-PAM (MF-UV-PAM) kan avbilda flera områden samtidigt, vilket leder till en snabbare process, särskilt användbart för större vävnadsprover eller när man behöver göra en snabb analys under kliniska förhållanden. Genom att kombinera dessa teknologier med ett galvanometerbaserat UV-PAM-system (GM-UV-PAM) har bildtagningshastigheten förbättrats ytterligare, vilket gör det möjligt att uppnå histologiska bilder av hög kvalitet på bara 15 minuter.

Men trots dessa framsteg finns det fortfarande flera tekniska utmaningar som måste övervinnas för att UV-PAM ska kunna implementeras effektivt i praktiska och kliniska miljöer. En av de största begränsningarna är den tid som krävs för bildtagning med traditionella raster-skanningsmetoder, vilket kan ta upp till 100 minuter för ett prov med en synfält på 25 mm². För att påskynda denna process måste vidare forskning fokusera på att utveckla ännu snabbare skanningsmetoder och förbättra den optiska upplösningen samtidigt som man säkerställer att bildkvaliteten bibehålls.

Förutom bildhastigheten är det också avgörande att förbättra bildkontrasten och bilddjupet för att UV-PAM ska kunna avslöja ännu finare detaljer i vävnader och organ. För detta ändamål har tekniken med vävnadsrensning introducerats som en potentiell lösning. Genom att rensa vävnaden från opaka komponenter kan UV-PAM-systemet få fram bilder med högre kontrast och därmed ännu mer detaljerad information om de mikroskopiska strukturerna i vävnaden.

Det är också viktigt att förstå att även om UV-PAM ger stora fördelar när det gäller att analysera cellkärnor och vävnadsstrukturer, är det fortfarande ett komplement till, inte en ersättning för, traditionella histologiska metoder som H&E-färgning. Det är en teknik som gör det möjligt att analysera vävnader på ett snabbare, mer icke-invasivt sätt, men det finns fortfarande många praktiska och tekniska utmaningar som måste hanteras innan den kan bli en fullständig standard för klinisk användning.

Hur kan PA-visualiseringstekniker förbättra precisionen vid interventionella medicinska procedurer?

Inom medicinska ingrepp där noggrann registrering av implantat och interventionella enheter är avgörande, är förbättrad bildbehandling en nyckel till framgång. En sådan teknik är photoakustisk (PA) bildbehandling, som kombinerar ljudvågsteknik med ljus för att skapa högkontrastbilder av vävnader och implantat inuti kroppen. Trots att PA-bildbehandling kan förbättra kontrasten av interventionella enheter i förhållande till ultraljud, finns det flera faktorer som kan påverka bildkvaliteten negativt. Bland dessa kan nämnas otillräcklig ljusenergi, akustiska störningar och rekonstruktionsartefakter.

En av de största utmaningarna vid PA-bildbehandling är att ljus, när det passerar genom vävnader, snabbt attenueras. Detta är särskilt problematiskt vid transrektal ljusöverföring, där ljuset dämpas när det passerar genom rektalväggen, vilket gör det svårt att visualisera interstitiella objekt som BT-frön. Transperineal och transuretral ljusleveransmetoder är däremot mer effektiva, då ljuset kan levereras närmare de aktuella implantaten. Trots detta är ljusets förmåga att tränga igenom vävnaden fortfarande begränsad, vilket gör det svårt att visualisera djupt belägna enheter, som vid fröimplantationer där en typisk skanningsdjup är runt 5 cm.

En lösning på dessa begränsningar kan vara att förbättra den optiska absorptionen av de interventionella enheterna, vilket ökar PA-signalen och därmed bildkontrasten. För detta ändamål har olika beläggningar, inklusive mörka färger och elastomeriska nanokompositer, undersökts för att appliceras på ytorna av metalliska nålar och andra medicintekniska enheter. I en studie av Pan et al. (2013) valdes svart färg som beläggningsmaterial för BT-frön, vilket resulterade i en synlighetsdjup på upp till 50 mm i en PVC-fantom. Denna förbättrade synlighet av enheterna kan ge betydande fördelar vid kirurgiska ingrepp där precision är avgörande.

En annan metod för att förbättra PA-visualisering är att använda ljusemitterande dioder (LEDs) i kombination med ultraljud. Detta skapar ett system där både PA och ultraljudsbilder samlas in och sammanfogas för att ge en förbättrad visibilitet av enheter som metallnålar och katetrar. Genom att använda en optisk fiber med en beläggning av candle soot-nanopartiklar och polydimetylsiloxan, som placerades i en metallisk spinalnål, observerades starka PA-signaler vid nålens spets, vilket gjorde det lättare att spåra nålens position under proceduren.

För att ytterligare förbättra bildkvaliteten kan djupinlärning (DL) användas för att effektivisera identifieringen av enheter och ta bort artefakter som kan uppstå under PA-bildbehandling. I experiment som utförts av Shi et al. (2022) användes en DL-baserad ram för att förbättra synligheten av nålar vid inplanteringsprocedurer. Denna metod var effektiv för att separera nålar från bakgrunder och reducerade artefakter som kan påverka bildkvaliteten. Metoden visade sig vara mångsidig och anpassningsbar till olika typer av interventionella enheter, som RFA-nålar och katetrar.

Artefakter som genereras av interventionella enheter kan ibland ge PA-signaler med intensiteter som är jämförbara med de från vävnader eller andra målstrukturer, vilket kan göra det svårt att skilja enheterna från den omgivande vävnaden. För att hantera detta problem kan bildtröskling användas för att undertrycka artefakter. Det är dock viktigt att noggrant välja tröskelvärdet, eftersom felaktigt val kan leda till förlust av signal från enheten.

I sammanhanget av låga ljusflöden, som är vanliga vid billiga ljuskällor som LEDs och LDs, har metoder som signalvärdesdekomposition och signalbearbetning med hjälp av olika algoritmer som DL visat sig vara effektiva för att öka kontrasten av enheter som frön, katetrar och nålar. Dessa tekniker kan vara särskilt användbara vid kliniska procedurer där precisa inplaceringar och navigering av enheter är av stor vikt.