Galvo-spegelscanning av den dubbla axeloptiken kan effektivt förbättra bildhastigheten och generera ett brett synfält (FOV). Denna metod gör dock PAM-systemet större och mer komplext, vilket försvårar justeringen av strålen och stabilisering av spridningsvägen. Dessutom är akustiska förluster fortfarande betydande eftersom ljudvågorna måste färdas genom det stora kopplingsmediet och prismakompositorn innan de kan detekteras av en transduktor. Transmission-läget är ett alternativ för att hantera de problem som uppstår vid reflektion-läget. I denna metod placeras optisk belysning och akustisk detektion på motsatta sidor av målet. Detta läge är dock inte lämpligt för in vivo-tillämpningar då det har begränsad ljuspenetration. Därför förblir reflektion-läget den mest populära metoden för PAM.

Nyligen har fokusenhetliga ringultraljudstransduktorer utvecklats för att göra ljus- och akustiska vågor delade på samma väg under reflektion-läge. Dessa transduktorer kan förenkla och komprimera reflektion-läget i PAM-system, vilket gör det lättare att samordna och registrera optisk excitation och efterföljande akustisk detektion. I själva verket har implementeringar av reflektion-läget PAM med ringtransduktorer redan haft stor framgång. Denna uppställning har också visat sig ha potential för användning i handhållna, bärbara och till och med endoskopiska system. Den ihåliga strukturen minskar dock signifikant detektionsområdet för transduktorn, vilket begränsar fokuseringskapaciteten och därmed minskar det större detekterbara synfältet.

Laser-scanning PAM (LS-PAM) är en gren av PAM som kan möjliggöra högupplöst in vivo-avbildning av biologiska vävnader utan att behöva skanna den ultraljudstransduktor eller den avbildade enheten. I LS-PAM-systemet skannas en laserstråle med hjälp av en X-Y galvo-motor, medan en stationär ofokuserad ultraljudstransduktor används för PA-signaldetektering. Som tidigare nämnts kan den ofokuserade transduktorn minska signal-till-brusförhållandet (SNR) för avbildningssystemet. För att åtgärda detta problem skannas ljus- och ultraljudstrålar tillsammans. En metod för att uppnå dubbel scanning är användningen av en ultraljudsfasad array, som består av flera små transduktorelement. Dessa rektangulära element kan byggas på en rak linje i en dimension, eftersom detekteringssignalen för varje element i arrayen är oberoende. De detekterade signalerna kan sedan fördröjas och sammanfattas enligt förväntningarna, vilket kallas för delay-sum beamforming teknik. Laserstrålen kan styras till och fokuseras på olika rumsliga positioner, vilket resulterar i en förbättring av SNR. Denna komponent har framgångsrikt använts i mekaniska scannings-PAM-system, där multifokal optisk belysning har visats förbättra avbildningshastigheten.

De nämnda transduktorerna är vanliga piezoelektriska typer som är ogenomskinliga och blockerar optiska vägar. Ett alternativ är att använda plana piezoelektriska transduktorer gjorda av optiskt transparenta känsliga och elektrodematerial. Dessa transduktorer tillåter ljus att passera genom den genomskinliga strukturen, vilket gör det möjligt för ljuset att dela samma transmissionsväg som de resulterande ultraljudsvågorna. Denna metod demonstrerar genomförbarheten av en transparent piezoelektrisk transduktor bestående av två indiumtindioxid (ITO) elektroder sputtrade på båda sidor av en polyvinylidenfluorid (PVDF) film. Från dessa resultat kan vi se att ett prov kan belysas nästan homogent utan betydande skuggning längs den optiska axeln. Plana, transparenta piezoelektriska transduktorer kan användas för att behålla det ursprungliga trycket utan ändringar orsakade av akustisk diffraktion mycket nära provet. Den ofokuserade designen av dessa transduktorer minskar dock den akustiska detektionssensitiviteten och skapar dåliga detektionsförhållanden för PA-signaler.

I denna sektion har vi kortfattat diskuterat flera typer av piezoelektriska transduktorer med olika unika egenskaper. I de flesta fall är dessa transduktorer inte särskilt modifierade för användning i PA-detektering, särskilt i modernare PAM-system. Eftersom piezoelektriska transduktorer har relativt begränsade bandbredder och acceptansvinklar kan de inte detektera många användbara PA-signaler. Som ett resultat övervägs många nya optiska metoder som lovande alternativ till ultraljudsdetection i PA-system för att hantera begränsningarna hos piezoelektriska och kapacitiva teknologier.

Optisk ultraljudsdetektion är en vanlig metod för att detektera ultraljudssignaler, där metoder som refraktometri och interferometri används. Refraktometri genomförs genom att undersöka ljusreflektionsintensiteten enligt den fotoelastiska principen. I PA-system kan ultraljudsvågor inducerade av en pulslaser orsaka mekanisk stress. Denna ultraljudsinducerade tryck förändrar brytningsindex (RI) i proportion till den belysningsintensitet och målets absorption. En undersökande eller sondstråle kan sedan användas för att mäta RI-ändringar i respons till de spridande ultraljudsvågorna. En annan vanlig metod för ultraljudsdetection är optisk interferometri, som detekterar det optiska interferensmönstret orsakat av ultraljudsvågorna. Ultraljudsvågor kan ändra interferensvillkoren genom att direkt interagera med en optisk stråle, genom att vibrera en reflektor eller genom att ändra resonansfrekvensen hos en resonator.

För att hantera begränsningarna hos traditionella kontaktbaserade PA-detekteringssystem har en ny teknik utvecklats, kallad fotoakustisk fjärravkänning mikroskopi (PARS). PARS är baserat på principen för RI-inducerad förändring av ljusreflektionsintensiteten. I ett PARS-system kan pulslaserinducerade ultraljudsvågor orsaka mekanisk stress, vilket leder till en förändring i refraktionsindexet (RI) i proportion till den belysningsintensitet och målets absorption. En sonderande ljusstråle kan sedan användas för att mäta RI-ändringar i respons på de spridande ultraljudsvågorna. PARS uppvisar exceptionell känslighet och upplösning och har visat sig användbar i både fantom- och in vivo-avbildning.

Hur bildas tumörmikromiljöer genom angiogenes och vaskulär efterbildning?

Angiogenes är en process som är central för tumörutveckling, eftersom det handlar om bildandet av nya blodkärl från redan existerande kärl. Detta sker ofta i tumörer där syre- och näringsbrist stimulerar vävnaden att släppa ut specifika signalämnen som växtfaktorer. En sådan faktor är vaskulär endoteltillväxtfaktor (VEGF), som är känd för sin kraftiga effekt på angiogenes. Genom angiogenes kan tumören få tillgång till det syre och de näringsämnen som krävs för fortsatt tillväxt och spridning.

Det finns dock ytterligare en mekanism för blodkärlsbildning som inte involverar nybildning av kärl från andra blodkärl, utan snarare en imitation av normalt blodkärlssystem av tumören själv. Denna process kallas vaskulär efterbildning eller vaskulär mimik. Här skapar tumörceller strukturer som liknar blodkärl, vilket gör det möjligt för tumören att få tillgång till blodflödet och därmed säkerställa sin överlevnad i hypoxiska miljöer. Vaskulär efterbildning är särskilt prevalent i aggressiva tumörer och skiljer sig från den normala angiogenesen genom att de bildade kärlstrukturerna ofta är ofullständiga och oorganiserade, vilket skapar en mer instabil och dysfunktionell mikromiljö.

I studier där man undersökt dessa processer, har det visats att angiogenes och vaskulär efterbildning kan samexistera i samma tumör. Forskning kring dessa fenomen är avgörande för utvecklingen av nya terapier, särskilt när det gäller att påverka tumörens blodförsörjning. För att effektivt behandla cancer, måste man förstå både de normala och onormala mekanismer som tumören använder för att etablera och upprätthålla sina blodkärl. En sådan förståelse gör det möjligt att utveckla behandlingar som inte bara hindrar nybildningen av blodkärl utan också stänger av eller blockerar de onormala kärlstrukturerna.

Förutom angiogenes och vaskulär efterbildning finns det också viktiga aspekter att beakta när det gäller tumörens mikromiljö, som syrgasbrist och hypoxi, vilket är nära kopplat till både dessa mekanismer. Tumörceller i hypoxiska områden är ofta mer resistenta mot behandlingar och har förmågan att inducera förändringar som gör deras blodkärl ännu mer dysfunktionella. Det finns också intressanta kopplingar mellan syrgasnivåer och tumörcellernas svar på behandlingar som fotodynamisk terapi, där optoakustisk avbildning kan spela en roll för att övervaka behandlingsresponsen genom att visa förändringar i syreleverans och vaskulär funktion.

Därför är det inte bara viktigt att förstå mekanismerna bakom angiogenes och vaskulär efterbildning, utan också att utforska hur dessa processer påverkar tumörens respons på olika terapier. Genom att använda tekniker som optoakustisk avbildning, som gör det möjligt att visualisera syre- och blodkärlsfördelning i tumören i realtid, kan vi bättre förstå dynamiken i dessa komplexa mikromiljöer och optimera behandlingsstrategier.

Hur kan fotoakustisk avbildning revolutionera medicinsk diagnostik och behandling?

Fotoakustisk avbildning (PAI) har snabbt blivit en viktig teknik inom medicinsk diagnostik och biomedicinsk forskning, tack vare sin förmåga att kombinera de fördelaktiga aspekterna av både optisk och akustisk avbildning. Denna teknik, som utnyttjar ultraljud och laserbaserade pulser för att skapa detaljerade bilder av vävnader, öppnar nya möjligheter för att studera biologiska system på mikroskopisk nivå med en otrolig upplösning.

Från den första tillämpningen av fotoakustik till de senaste framstegen har forskare ständigt utvecklat och förfinat tekniken för att ge djupare insikter i biologiska processer och sjukdomar. En av de mest intressanta egenskaperna hos fotoakustisk avbildning är dess förmåga att ge information om vävnadens strukturer och funktioner genom att mäta den akustiska signalen som genereras av vävnader som absorberar laserljus. Eftersom blod innehåller hemoglobin, vilket absorberar ljus effektivt, är fotoakustik särskilt användbar för att studera vaskulära system och blodflöde.

För att förstå potentialen hos fotoakustisk avbildning är det viktigt att notera att tekniken möjliggör djupare vävnadsvisualisering än traditionella optiska tekniker. Genom att kombinera hög upplösning med förmågan att tränga djupt i vävnader, ger PAI forskare och kliniker möjlighet att avbilda biologiska strukturer på cellnivå, något som tidigare var svårt eller omöjligt att göra med andra bildtekniker. Den höga känsligheten gör det möjligt att detektera och övervaka subtila förändringar i vävnader, som kan vara avgörande för tidig diagnos och behandling av sjukdomar som cancer eller neurodegenerativa sjukdomar.

Vidare, genom användningen av fotodetektorer och avancerade algoritmer, kan den fotoakustiska tekniken också kombineras med andra avbildningstekniker, som ultraljud och magnetresonansavbildning, för att skapa mer omfattande och detaljerade bilder. Detta kallas multimodal avbildning och möjliggör en djupare förståelse av vävnaders komplexitet och funktion. Flera studier har visat att multimodala bildsystem kan ge både anatomiska och funktionella data i realtid, vilket är ett betydande framsteg jämfört med tidigare tekniker som endast gav anatomisk information.

Det som gör fotoakustik särskilt lovande är också dess tillämpningar inom klinisk medicin. Från tumördiagnostik till övervakning av hjärnans hemodynamik och blodflöde i retina, har forskningen visat på fotoakustikens breda användningsområden. I en nyligen genomförd studie på patienter med fet lever gav fotoakustisk avbildning insikter om intrahepatiska lipider, vilket hjälper läkare att bedöma graden av leversjukdom på ett icke-invasivt sätt. Detta illustrerar fotoakustikens potential att revolutionera både diagnos och behandling av en mängd olika sjukdomar, från cancer till metabola störningar.

Särskilt viktigt är användningen av fotoakustisk avbildning i realtidsövervakning av biologiska processer, såsom läkemedelsleverans och vävnadsreaktioner på behandlingar. Enligt senaste forskning kan fotoakustik ge detaljerad information om läkemedelsdistribution och vävnadsreaktioner vid olika behandlingar, vilket gör att kliniker kan övervaka effekterna av terapi med hög precision. Detta gör tekniken särskilt användbar för precisionmedicin, där behandlingen skräddarsys för den individuella patientens behov.

Även om fotoakustik har kommit långt, är det viktigt att förstå de tekniska utmaningarna som fortfarande måste lösas för att göra denna teknik ännu mer effektiv och tillgänglig för kliniska tillämpningar. En av de största utmaningarna är att öka bildens upplösning samtidigt som man minskar artefakter och förbättrar signal-till-brusförhållandet. Vidare, även om tekniken är lovande, är det nödvändigt att ta itu med kostnader och tillgänglighet för att den ska kunna implementeras på bredare klinisk nivå. Forskning kring förbättrade detektorer, bättre databehandling och integration med andra avbildningstekniker kan hjälpa till att övervinna dessa hinder.

För att verkligen förstå potentialen i fotoakustisk avbildning är det viktigt att vara medveten om hur den kan förändra framtida behandlingar och diagnoser. Tekniken erbjuder möjligheter att visualisera och förstå biologiska system i en skala som tidigare var otänkbar, och den har potentialen att omdefiniera hur sjukdomar övervakas och behandlas. Men som med alla framväxande teknologier kommer det att krävas ytterligare forskning och innovation för att fullt ut förverkliga dess potential.

Hur överförs Lagrange-ekvationer till Hamilton-ekvationer i icke-linjära system?
Hur Trump-administrationens handling av OMB förändrade byråns neutralitet och kompetens
Hur Transformationer och Egenvärden Påverkar Matriser i Linjär Algebra