Hur ljudhastighetskartläggning förbättrar fotoakustisk och ultraljudsbaserad tomografi i bröstavbildning

I denna studie utvecklades en innovativ instrumentering för att bildbehandla stora prov, motsvarande bröststorlekar, med hjälp av hybridfotoakustisk (PAT) och ultraljudsbaserad tomografi (USCT). För första gången användes specifikt tillverkade LIUS-källor (Low-Intensity Ultrasound Sources) för att generera ultraljud för USCT, och dessa källor valdes utifrån deras frekvensinnehåll, som bättre matchar de fotoakustiska signalerna, vilket i sin tur resulterar i en mer optimerad bilddetektering. Denna metod visade sig ge förbättrad kontrast jämfört med andra geometrier för detektering, där plane wave och syntetisk apertur användes i föregående experiment för att visa på LIUS:s potential.

För den platta detektorn ökade SNR något för W2 och W3 när man gick från 1-hastighetsmodellen till 2-hastighetsmodellen, medan för W1 minskade SNR. På den linseutrustade detektorn var förändringen mellan de två modellerna knappt märkbar för W2 och W3, men för W1 minskade SNR kraftigt med en faktor på 4,4. Trots detta uppvisade bilder med ljudhastighetskartläggning alltid ett bättre SNR jämfört med andra modeller, vilket gör denna metod till den föredragna för att förbättra bildkvaliteten i mer komplexa prov.

Vid jämförelse mellan detektortyperna, det vill säga den platta detektorn och den linseutrustade detektorn, blev det tydligt att FWHM (Full Width at Half Maximum) för alla funktioner var mindre för bilder från den platta detektorn. Detta berodde på den lägre mittfrekvensen och det smalare bandbredden hos den linseutrustade detektorn. För att förbättra bildupplösningen ytterligare, skulle en 3D-avbildning kunna övervägas med de båda detektortyperna för att skapa en mer exakt och detaljerad bild. En optimal upplösning kan åstadkommas genom att använda den platta detektorn, men detta riskerar att dölja svagare funktioner som en linseutrustad detektor bättre kan framhäva, med sin större acceptansvinkel.

Framtida arbete kan också inrikta sig på att optimera 2D-LIUS-CT-bildbehandling genom att konfinera den utsända LIUS-fältet till den specifika bildplanen, för att minska oönskade reflektioner utanför bilden. Genom att justera ljuskällans geometri, till exempel att ändra form på LIUS-sändarens belysningspunkt, skulle en mer linjär eller elliptisk form kunna uppnås och därigenom optimera detektorns effektivitet. Detta skulle potentiellt minska behovet av axial scanning och förfina resultatet av bildinsamlingen.

Detta arbete, som är ett teknologidemonstrationsprojekt, öppnar vägen för framtida utveckling av mer avancerade, 3D-baserade bildbehandlingstekniker för att analysera komplexa vävnadsprover som kan användas för bröstcancerdiagnostik. En viktig aspekt som fortsatt måste utvecklas är att påskynda insamlingshastigheten för bilder, vilket skulle kunna uppnås genom att lägga till fler detektorer i en kurvlinjär array eller genom att använda en laser med högre repetitionshastighet för att förbättra den fotoakustiska bildkvaliteten.

För att fortsätta utveckla och optimera den här teknologin kommer det vara viktigt att fokusera på både tekniska förbättringar av bilddetektorer och på själva detektionssystemens konfigurationer, vilket skulle kunna möjliggöra snabbare, mer detaljerade och mer precisa bilder i framtida kliniska tillämpningar.

Hur möjliggörs virtuell färgning av vävnadsbilder utan noggrant parade data?

Virtuell färgning med hjälp av generativa adversariella nätverk har utvecklats till ett kraftfullt verktyg inom digital patologi. En av de mest grundläggande metoderna, Pix2pix, kräver noggrant parade bildpar med pixel-precision mellan ofärgade vävnadsbilder (t.ex. TA-PARS eller UV-PAM) och motsvarande H&E-färgade bilder. I detta fall används en generator för att omvandla en ofärgad bild till en syntetisk, virtuellt färgad version, medan en diskriminator försöker avgöra om den genererade bilden är verklig eller fejk. Detta skapar en spelteoretisk situation där modellen tränas genom konkurrens mellan de två nätverken.

För att kringgå detta krav på strikt bildparning har osupervised inlärning, i form av cykelkonsistenta generativa nätverk (CycleGAN), introducerats. CycleGAN behöver inte pixel-perfekta par, utan använder i stället ett cykelkonsistensvillkor som möjliggör inlärning mellan två bilddomäner – exempelvi

Hur kan optisk vågfrontsformning förbättra fotoakustisk avbildning?

En av de största utmaningarna inom fotoakustik är att ljuset som används för att excitera vävnaden sprids och förlorar sin fokusering, vilket kan minska både upplösningen och signalens effektivitet. Fotoakustisk avbildning (PAI) bygger på att ljus, antingen från endogena kromoforer i vävnaden eller exogena kontrastmedel, exciteras för att generera ultraljudssignaler. Denna metod erbjuder djupupplöst information genom att kombinera optisk kontrast med den rumsliga upplösningen som är karakteristisk för ultraljud. Fotoakustisk signalstyrka är proportionell mot ljusflödet vid en viss position i vävnaden, och den feedback som erhålls från denna signal kan sedan användas för att styra vågfrontsformningen i turbid vävnad, vilket gör det möjligt att fokusera ljus mer effektivt på specifika områden.

Genom att använda denna feedback kan man optimera bildkvaliteten och förbättra signalens tydlighet. Wågfrontsformning kan även användas för att förbättra den optiska upplösningen genom att fokusera ljuset till en mycket liten punkt, vilket ger en betydligt högre precision än traditionell raster-scanningsteknik. Detta gör det möjligt att öka den rumsliga upplösningen av fotoakustiska bilder, vilket i sin tur ger en mer detaljerad avbildning av vävnader.

En annan betydande fördel med optisk vågfrontsformning är dess tillämpning i utvecklingen av minimalt invasiva fotoakustiska endoskop. Genom att använda multimodala fibrer (MMF) för att leverera exciterande laserstrålar, kan man skapa ultratunna fotoakustiska endoskop som är både billigare och mer effektiva än tidigare enheter som använde sammanhängande fiberbuntar. Dessa ultratunna endoskop har potentialen att möjliggöra in-situ undersökningar av inre vävnader, vilket innebär att man kan studera vävnader på mikroskopisk nivå utan att behöva genomföra invasiva kirurgiska ingrepp.

När det gäller tillämpningar för medicinsk bildbehandling är denna typ av teknologi inte bara lovande för att förbättra den rumsliga upplösningen utan även för att optimera den signalbehandling som krävs för att erhålla detaljerade bilder i vävnadens inre. Det gör det möjligt för läkare att få en mer exakt bild av den biologiska vävnaden, vilket kan förbättra diagnostik och behandling.

Förutom fördelarna med förbättrad upplösning och minskad invasivitet är det också viktigt att förstå de potentiella utmaningarna med optisk vågfrontsformning. Tekniken kräver noggrann kalibrering och optimering för att fungera effektivt i olika vävnader och under olika förhållanden. Denna formning är också beroende av specifika optiska egenskaper hos det material som används, vilket kan variera beroende på vävnadens komplexitet.