Fotoakustisk tomografi (PACT) är en teknik som kombinerar ultraljud och optisk avbildning för att skapa detaljerade bilder av biologiska vävnader. En av de mest betydelsefulla innovationerna inom detta område är användningen av sfäriska matris-transduktorer, som möjliggör tredimensionell bildtagning med hög upplösning och snabb volymförvärv. Dean-ben et al. rapporterade redan för ett decennium sedan om användningen av en sfärisk matris-transduktor som kunde skapa volymer av PA-bilder med en volymhastighet på 10 Hz. Detta öppnade dörren för realtidsvisualisering av regioner på 12 × 12 × 10 mm^3, där volymhastigheten i huvudsak begränsades av laserens repetitiva hastighet.

Den sfäriska transduktorn tillverkades av Imasonics och hade 256 element som var fördelade på en hemisfär med en radie på 40 mm och en yttre diameter på 64 mm. Detta designval minskade artefakter som orsakas av den begränsade synvinkeln i plana matris-transduktorer. En ytterligare fördel var den piezo-kompositteknologi som användes vid tillverkningen, där den centrala frekvensen för transduktorn var 3,9 MHz och dess bandbredd 4 MHz. Den optiska fiberanslutningen till transduktorn var designad för att möjliggöra en mer effektiv bildåtergivning genom en optisk fiber med en diameter på 8 mm, och lasern som användes för avbildning av mänsklig vaskulatur opererade mellan 680 och 900 nm med en pulsbredd på 10 ns.

En annan utveckling i detta område är den 512-elementa baserade sfäriska array-transduktorn som designades av Godefroy et al., vilket möjliggjorde avbildning av blodets syresättning och blodflödesdynamik. Denna transduktor använde en distribuerad solrosmönster-layout för sina element, vilket minskade interferens från grating lobes som kan uppstå vid undersampling. Trots att denna design gav goda resultat för prekliniska tester med kycklingembryon, var en stor nackdel att de sfäriska transduktorerna, trots sina fördelar i att minska begränsningar i synvinkeln, var för bulkiga för frihandspraxis vid mänsklig avbildning.

En viktig aspekt som måste beaktas i denna typ av system är behovet av ett akustiskt kopplingsmedium, vilket i många fall innebär att hemisfärens inre måste fyllas med vatten eller annan substans för att säkerställa god akustisk koppling. Detta skapar en ytterligare barriär för att översätta dessa avancerade PA-system till klinisk användning, särskilt för användning vid kontinuerlig övervakning av fysiologiska parametrar. Här undersöks nu nya tillverkningstekniker som syftar till att minska storleken på transduktorerna, vilket gör det möjligt att skapa bärbara sensorer för långvarig fysiologisk övervakning.

Utöver de traditionella transduktorer som beskrivits, finns det även andra skräddarsydda, specialdesignade transduktorer som används inom fotoakustisk avbildning. Pan et al. designade en mikroring-sensorarray som kombinerade 15 högkvalitativa mikrosensorer med en bussvågledare. Dessa sensorer möjliggjorde PACT-avbildning genom att generera ett digitalt optiskt frekvenskomb. Trots att denna sensorarray visade god kapabilitet vid detektering av rörliga objekt och utveckling av organ i zebrafiskar, var upplösningen inte tillräcklig för att förväntas vara användbar för in vivo-diagnostik på grund av vävnadens dämpning av högfrekventa signaler.

Vidare har Gao et al. skapat ett bärbart plåster med en ljuskälla och transduktorer för PACT-avbildning. Detta plåster, bestående av VCSEL-dioder som producerade 850 nm ljus, har visat sig kunna penetrera vävnad upp till 2 cm, vilket öppnar upp möjligheter för ny typer av avbildning där liten storlek och enkel användning är avgörande. Den stora fördelen här är att det kompakta plåstret är lätt att applicera och kan användas för 3D-avbildning av hemoglobin och venös aktivitet i händer, fötter och lår, även om signal- till brusförhållandet inte är lika bra som i mer traditionella PA-system.

Trots att dessa system är lovande för användning i kontinuerlig övervakning, kvarstår problemen med bulkiga databehandlingssystem och den begränsade bildkvaliteten för diagnostiska syften. Det är också viktigt att förstå att även om dessa system har potential för att revolutionera övervakning av fysiologiska parametrar i realtid, måste de fortfarande utvecklas för att uppnå den höga bildkvalitet och tillförlitlighet som krävs för att vara användbara i kliniska tillämpningar.

En central aspekt som är värd att notera i sammanhanget är att även om transduktorns design och tillverkning har kommit långt, förblir själva databehandlingsteknologin en kritisk faktor för framgången med dessa system. Ju mer avancerad och snabbare databehandling vi kan uppnå, desto mer exakt och effektivt kan dessa system användas för både klinisk diagnostik och preklinisk forskning.

Hur man designar och validerar fysiska modeller för fotoakustiska system (PAI)

Fotoakustisk avbildning (PAI) är en teknik som kombinerar fördelarna med både optisk och akustisk avbildning för att skapa detaljerade bilder av biologiska vävnader. För att utveckla och optimera dessa system är det nödvändigt att använda fysiska modeller, även kallade phantoms, som efterliknar egenskaperna hos biologisk vävnad. Dessa modeller används för att testa och kalibrera PAI-system, så att man kan säkerställa att de fungerar korrekt och effektivt i kliniska och prekliniska studier.

En av de mest kritiska aspekterna när man utvecklar sådana phantoms är att exakt efterlikna vävnadens akustiska och optiska egenskaper. Dessa inkluderar bland annat ljudets hastighet, akustisk dämpning, och optiska absorptions- och spridningsegenskaper. För att uppnå detta används olika material som polymerer, hydrogeler, silikoner och blandningar som imiterar både vävnadsstruktur och fysikaliska egenskaper (tabell 7.3). Dessa material måste inte bara ge en realistisk återgivning av vävnaden utan också ha god stabilitet under lång tid för att säkerställa att de kan användas i omfattande experiment och tester.

Hydrogel- och agar-baserade phantoms erbjuder en enkel och kostnadseffektiv lösning för grundläggande tester, men deras stabilitet kan vara begränsad, vilket gör att de inte alltid är idealiska för långsiktiga studier. Å andra sidan erbjuder material som PVCP (polyvinylkloridplast) och kopolymerer i olja överlägsen hållbarhet och lång livslängd, vilket gör dem mer lämpade för långvarig användning i flercenterstudier och andra omfattande tester.

En annan central komponent för att säkerställa att PAI-system fungerar korrekt är noggrann karakterisering av phantoms optiska och akustiska egenskaper. För att genomföra denna karakterisering används olika tekniker som steady-state domain systems, time-domain systems och spatial frequency domain systems för optiska mätningar, och kontinuerliga våg- och pulstekniker för akustiska mätningar. Dessa tekniker måste användas med precision, och alla data måste vara validerade och kalibrerade för att säkerställa noggrannheten i resultaten.

För att garantera att en fotoakustisk metod är effektiv måste den genomgå en teknisk validering. Denna validering innebär en rigorös bedömning av systemets prestanda, vilket gör det möjligt att jämföra olika metoder och enheter under liknande förhållanden. För phantomspecifika testmetoder krävs noggrant planerande av både designen och tillverkningen av testobjekten. Det är också viktigt att säkerställa att den data som samlas in är korrekt genom att använda lämpliga testprotokoll och utföra upprepade tester under stabila förhållanden, till exempel genom att placera testobjektet i en fast position för att förhindra drift i mätresultaten.

Det finns även en globalt driven ansträngning för att standardisera PAI-tester genom initiativ som IPASC (International Photoacoustic Standardisation Consortium). Denna organisation, grundad 2018, syftar till att skapa gemensamma standarder för testmetoder och testobjekt för att förbättra kvaliteten på både prekliniska och kliniska studier. Genom att använda definierade material med kända kemiska sammansättningar kan forskare och ingenjörer tillverka och testa phantoms lokalt, vilket ger förutsägbarhet och stabilitet i de metoder som används för att validera PAI-system.

En viktig aspekt som ofta förbises är att temperaturvariationer kan påverka både akustiska och optiska mätningar. Därför måste alla mätningar, särskilt akustiska tester, utföras vid en definierad och kontrollerad temperatur, vanligtvis rumstemperatur (18–25 °C), för att undvika felaktigheter i resultaten. För att säkerställa att mätningarna är exakta måste också osäkerheten i varje test beräknas noggrant, med både typ A- och typ B-osäkerheter.

För att genomföra en effektiv teknisk validering är det viktigt att alla steg – från design och tillverkning av phantoms till dataanalys – är ordentligt planerade och dokumenterade. En detaljerad valideringsram för PAI-system ska säkerställa att varje testobjekt fungerar som förväntat och att alla mätningar genomförs på ett tillförlitligt sätt. Genom att följa dessa riktlinjer och noggrant utvärdera resultaten kan forskare och ingenjörer säkerställa att PAI-systemen utvecklas och förbättras på ett effektivt sätt.

För att ytterligare förfina fotoakustiska system och deras användning inom medicinsk avbildning är det också av största vikt att ha en förståelse för de teknologiska och vetenskapliga framstegen inom detta område. Förutom att förbättra phantoms och testmetoder måste fokus även ligga på att utveckla mer sofistikerade algoritmer för att bearbeta de komplexa data som genereras. Den fortsatta integrationen av fotoakustik med andra bildbehandlingstekniker, såsom magnetisk resonansbildbehandling (MRI) eller positronemissionstomografi (PET), erbjuder dessutom stora möjligheter att förbättra diagnostiska och terapeutiska resultat i kliniska miljöer.

Hur kan tekniska standarder för fotoakustisk bildbehandling bidra till klinisk översättning?

Vid användning av nya bildbehandlingsteknologier som fotoakustisk bildbehandling (PAI) är det av yttersta vikt att säkerställa teknisk validitet genom noggranna tester och etablering av standardiserade protokoll. Testobjekten måste vara temperaturstabiliserade under de experimentella förhållanden som är relevanta för mätningarna. Det rekommenderas att utföra flera mätningar (minst 5) under både tids- och rumsmässiga variationer för att få representativa resultat. Dessa mätningar kan sträcka sig över olika våglängder beroende på typ av system och specifika applikationer.

För att säkerställa att resultaten är reproducerbara över tid och under olika förhållanden bör stabila testmaterial användas, såsom fiktiva objekt (phantoms) med noggrant kontrollerade egenskaper. Stabilitet är avgörande för att undvika driftsvariationer som kan påverka de långsiktiga mätningarna och för att säkerställa jämförbarhet över olika operatörer, instrument och bildbehandlingssessioner. Genom att göra upprepade mätningar över längre tidsperioder – från minuter till månader – med eller utan byte av testobjekt, kan temporal variation bedömas.

När det gäller kvantifiering av data kan rådata från radiofrekvenser (RF) användas, men det är vanligtvis fördelaktigt att använda fördefinierade bildbaserade mått. Dessa kan omfatta spatial upplösning (både i planet och utanför planet), geometrisk noggrannhet, bildens enhetlighet, synlighetsdjup, känslighet, detektering av lågt kontrast och artefakter. Testprotokollen bör specificera dimensioner och lägen för de områden som är av intresse (ROI) och/eller intensitetslinjeprofiler, samt inkludera tydliga formler för att beräkna bildkvalitetsmåtten.

Bildbehandling och bearbetning kräver särskild omsorg, eftersom även små variationer kan påverka mätningens noggrannhet avsevärt. Vid utvecklingen av tekniska standarder för PAI är det särskilt viktigt att fokusera på att definiera grundläggande termer, prestationen och testparametrar, samt designa fiktiva material och geometriska mönster som speglar verkliga biologiska vävnader på ett korrekt sätt.

Det är av stor betydelse att standardiserade testmetoder för PAI utvecklas. Trots att sådana standarder ännu inte existerar, pågår ett intensivt arbete för att driva denna utveckling framåt, vilket är avgörande för den kliniska översättningen av teknologin. I andra, mer etablerade bildbehandlingsteknologier som CT, röntgenmammografi, ultraljud och MRI har internationella standarder etablerats genom organisationer som IEC (International Electrotechnical Commission), ISO (International Organization for Standardization) och NEMA (National Electrical Manufacturers Association). Dessa standarder definierar testprotokoll och kriterier för kvalitetskontroll och acceptanstester. Liknande initiativ måste genomföras för PAI för att säkerställa att teknologin kan användas på ett pålitligt sätt i kliniska miljöer.

Vid produktion av fiktiva objekt är det också viktigt att dessa ska vara tillverkade så att de kan massproduceras av en kommersiell leverantör, vilket säkerställer att alla testobjekt har identiska egenskaper och geometrier som följer de fördefinierade specifikationerna. Detta kräver samarbete och kommunikation mellan forskare, leverantörer och kliniker för att säkerställa att de nödvändiga resurserna finns för att driva denna utveckling framåt.

En viktig aspekt som inte får förbises är vikten av att utveckla biomimetiska och antropomorfiska fiktiva objekt. Dessa objekt ska bättre återspegla de verkliga förhållandena i mänsklig vävnad och därmed ge en mer kliniskt relevant bedömning av bildkvaliteten. Det är också viktigt att förstå att användningen av dessa fiktiva objekt inte bara är en praktisk aspekt, utan också en central del för att övervinna de nuvarande hindren för klinisk översättning av PAI.

Endtext

Hur förändras optiska egenskaper beroende på linsens material och geometri?
Hur hanterar man den råa verkligheten i ett professionellt fotbollslag?
Hur Man Förhindrar Utbrändhet Hos Högpresterande Medarbetare: Strategier för att Bevara Engagemang och Produktivitet
Hur definieras gruppoperationer i linjär algebra och deras samband med matriser?