Opakustiska sensorer och transduktorer har visat sig vara användbara i en mängd tillämpningar, särskilt inom medicinsk bildbehandling och materialanalys. Dessa enheter utnyttjar kombinationen av optiska och akustiska signaler för att producera detaljerade bilder och ge insikter i strukturella och funktionella egenskaper hos det studerade objektet. En nyckelfaktor som påverkar deras effektivitet är valet av material, särskilt inom området nanoteknik, där avancerade material som kolnanorör, grafenoxid och guldnanopartiklar har revolutionerat denna teknik.

Forskning som utförts av Zhang et al. har undersökt användningen av små, optiska fotoakustiska bildbehandlingsprober. Dessa prober har fördelen av att vara minimalt invasiva och kan användas för att detektera akustiska signaler som genereras från biologiska vävnader, vilket möjliggör djupgående analys utan behovet av att fysiskt tränga in i kroppen. På samma sätt har teknologier som använder optiska fibrer, som den optoakustiska ultraljuds-sändaren utvecklad av Tian et al., öppnat nya dörrar för precisionsmedicin. Denna metod utnyttjar fokuserad laserstrålning som genererar ultraljudsvågor, vilket ger hög upplösning och precision i bilderna.

En av de viktigaste faktorerna som påverkar prestandan hos dessa optoakustiska enheter är hur effektivt de omvandlar ljusenergi till akustisk energi. Här spelar materialets strukturella egenskaper en avgörande roll. Till exempel har kolnanorör, som används i flera optoakustiska sensorer, visat sig ha en exceptionell förmåga att effektivt överföra energi och ge starka ultraljudssignaler. Forskning som genomfördes av Won Baac et al. visade att kompositmaterial som kombinerar kolnanorör och optiska fibrer ger både hög frekvens och starkare ultraljudsgenerering, vilket gör dem särskilt användbara för högupplösta bilder i medicinska tillämpningar.

Samtidigt som forskningen har gått framåt med användning av kolnanorör och andra avancerade material har det också varit betydande framsteg i användningen av grafenbaserade material. Grafenoxid, till exempel, har visat sig vara ett lovande alternativ för att skapa tunna filmer som kan användas som optoakustiska transduktorer. Den här typen av material har fördelen att de kan tillverkas med hög precision och erbjuder både mekanisk styrka och elektrisk ledningsförmåga, vilket är viktigt för att uppnå effektiv ultraljudsgenerering.

Ytterligare innovationer inom materialteknik innebär att man använder nanopartiklar av guld för att förstärka optoakustiska signaler. Studier som publicerats av Sharifi et al. har visat att plasmoniska guldnanopartiklar kan förbättra ljusabsorptionen vid specifika våglängder, vilket leder till en mer effektiv omvandling av ljusenergi till ultraljud. Denna teknik har potentialen att skapa mycket känsliga och precisa sensorer, vilket är en stor fördel inom både diagnostik och behandling.

Ett annat område där optoakustiska sensorer har potential att förändra medicinska tillämpningar är genom användningen av fotoakustiska tekniker för att visualisera vävnadsdynamik i realtid. Genom att använda fiberoptiska fotoakustiska ultraljudstransduktorer kan man uppnå ett betydande genombrott när det gäller att studera biologiska vävnader i 3D. Ett exempel på detta är en studie av Finlay et al., som utförde in vivo undersökningar på svin, där genomstickande optiska system användes för att erhålla ultraljudsbilder i hög upplösning.

Sammanfattningsvis är utvecklingen av optoakustiska sensorer och transduktorer nära kopplad till framsteg inom nanoteknik och materialvetenskap. Valet av material, inklusive kolnanorör, grafenoxid, guldnanopartiklar och andra nanomaterial, är avgörande för att optimera prestanda och effektivitet i dessa teknologier. Eftersom de tekniska lösningarna fortlöpande förbättras, kommer detta att öppna nya möjligheter för exaktare och mindre invasiva medicinska behandlingar och diagnostiska verktyg.

Förutom tekniska aspekter bör läsaren förstå att den fortsatta utvecklingen av dessa sensorer inte bara handlar om materialval utan också om de praktiska tillämpningarna och de etiska frågor som uppstår vid användningen av sådan högteknologisk utrustning inom vård och medicin. För att fullt ut realisera potentialen hos dessa system krävs det även noggrant övervägande av hur de ska integreras i kliniska miljöer och hur patientdata kan skyddas. Dessa teknologier erbjuder inte bara nya metoder för att upptäcka och behandla sjukdomar utan ställer även viktiga frågor kring tillgång, säkerhet och användning i framtidens hälsovård.

Hur kan fotoakustisk avbildning revolutionera cancerforskning?

Fotoakustisk avbildning (PA) har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att visualisera vävnadsstrukturer och funktioner genom att kombinera optisk och akustisk bildbehandling. Denna teknik använder pulserande ljus för att excitera vävnaden och det resulterande ljudet fångas sedan för att skapa högupplösta bilder. Det som gör PA-tekniken särskilt intressant i cancerforskning är dess förmåga att undersöka tumörernas vaskulära strukturer och funktioner, vilket ger insikter om tumörens mikro-miljö och potentiella förändringar under behandlingar.

PA-system kan arbeta vid frekvenser från 1 kHz till 4 kHz, och deras pulslängd kan justeras från 30 ns till 150 ns, vilket ger en hög grad av flexibilitet i avbildningen. Vanligtvis används en linjär array-transducer med en hög upplösning för att skapa bilder av vävnader på djupet, ofta upp till 40 mm. Trots att ljuskällorna i PA-systemen är relativt svaga, har flera studier visat att man kan visualisera kärlstrukturer effektivt både i djurmodeller och människor, även utan att använda externa kontrastmedel.

En intressant tillämpning av PA-teknik visades i en studie av Xavier-Selvan et al., som genomförde 3D-bilder på subkutana xenograft-möss med Acoustic X-systemet. Studien visade en god korrelation mellan PA-bilder av tumörens vaskulära nätverk och immunofluorescensbilder av tumörens blodkärl. För att förstärka de svaga PA-signalerna använde Hariri et al. ett reaktivt syre- och kväveförekomst tillsammans med en nära infraröd absorberande liten molekyl, CyBA, vilket ledde till en 3,2-faldig ökning av PA-intensiteten.

En annan betydande utveckling har varit användningen av djupinlärning för att förbättra signal-till-brus-förhållandet (SNR) och kontrast-till-brus-förhållandet (CNR) i PA-system baserade på LED. Detta har gjort det möjligt att minska behovet av hög bildfrekvens och samtidigt möjliggöra realtidsavbildning av tumörvaskulaturen. Dessa framsteg innebär att forskare nu kan arbeta med PA-system i större skala och vid djupare nivåer i vävnaden, vilket var tidigare en utmaning.

Raster-scan optoacoustic mesoscopy (RSOM) är ett exempel på ett PA-system som erbjuder nanosekundiga pulser vid 532 nm och en maximal energi på 1 mJ vid en repetitionsfrekvens på 1 kHz. Detta system är kapabelt att skapa bilder med hög upplösning på 20 μm, vilket gör det möjligt att inte bara bedöma tumörens vaskulära densitet, utan även att studera kärlens diameter, tortuositet och förgrening, vilket var framgångsrikt demonstrerat i bröstcancer-PDX-modeller.

Vid mikroskopisk skala anpassar forskare ofta PA-systemen för sina specifika behov, vilket resulterar i system med olika transducertyper och ljusbehandlingsscheman. Här delas fotoakustisk mikroskopi (PAM) in i optisk upplösning (OR-PAM) och akustisk upplösning (AR-PAM). Den största skillnaden mellan dessa metoder ligger i storleken på den fokuserade laserpunkten. AR-PAM har en mer fokuserad ljuskälla, vilket ger överlägsen upplösning. Detta gör AR-PAM användbart för att observera detaljerade strukturer på mycket små skala i levande djurmodeller.

PA-system kan också användas för att övervaka förändringar i tumörens morfologi och vaskulära egenskaper vid olika stadier av tumörtillväxt, inklusive under behandling. Det är även möjligt att bedöma vaskulära heterogeniteter, såsom syrebrist och lågt vaskulariserade områden, vilket är viktiga markörer för tumörens aggressivitet och behandlingens effektivitet. I en studie utvecklade Imai et al. en PAM som gav realtidsinformation om hypoxiska och lågt vaskulariserade områden i tumörer, vilket hjälper till att kartlägga tumörernas dynamiska förändringar under behandling.

Fotoakustisk avbildning är också ett kraftfullt verktyg för att studera den vaskulära strukturen i tumörer utan att använda externa kontrastmedel, vilket gör det till en mer icke-invasiv metod jämfört med traditionella bildbehandlingstekniker som CT eller MR. Detta gör det möjligt för forskare att genomföra långsiktiga studier av tumörens utveckling och respons på behandling.

PA-systemen används nu för att identifiera och kvantifiera skillnader i tumörernas vaskulära densitet efter terapi, vilket har stor betydelse för att förstå hur behandlingar påverkar tumörens blodflöde och näringstillgång. Dessa metoder har också visat sig vara användbara för att studera angiogenes, det vill säga hur nya blodkärl bildas i tumören, vilket är en kritisk process för tumörens tillväxt och spridning.

Utöver dessa tekniska framsteg, har kombinationen av PA-teknik med nanoteknologi och biokonjugering av kontrastmedel öppnat nya dörrar för molekylär avbildning. Genom att använda specifika målkontrastmedel kan PA-tekniken nu också användas för att visualisera och kvantifiera olika biomolekyler i tumörer, vilket ger forskare möjlighet att utforska tumörens biokemiska sammansättning och dess respons på behandling.

Endast genom att fortsätta utveckla och finjustera dessa tekniker kommer fotoakustisk avbildning att bli ännu mer användbar i preklinisk och klinisk cancerforskning, vilket ger mer detaljerad information om tumörens biologi och dess interaktioner med omgivande vävnader.

Hur Wavefront Shaping och Fotoakustisk Endomikroskopi Revolutionerar Medicinsk Avbildning och Diagnostik

Wavefront shaping-teknik, som först demonstrerades av Vellekoop et al. 2007, har under de senaste åren fått enorm uppmärksamhet inom områden som fokusering av ljus genom spridande medier. Trots framsteg inom förbättrad fokuseringsprestanda, snabbhet och minskad invasivitet, förblir djupvävnadsavbildning i levande organismer en utmaning. En av de största teknologiska begränsningarna är de korta tidsintervallen för speckle-dekorrelation i levande vävnader, vilket påverkar in vivo-tillämpningar kraftigt. Forskning har visat att ljusdistorsion orsakad av vävnadens dynamik kan delas upp i en stabil komponent, som förblir konstant mellan två andetag, och en snabb dekorelationskomponent som orsakas av vävnadsrörelser som blodflöde. Den senare kan dämpas genom att medelvärdesberäkna sekventiella ljusfältmätningar. Genom denna teknik, kallad digital faskonjugering (DPC), har forskare lyckats fokusera ljus genom exempelvis en musöra in vivo under ett andningsintervall.

Även om DPC-metoden inte är praktisk för in vivo-tillämpningar på grund av dess invasivitet, kan konceptet med de två komponenterna vara tillämpligt i fotoakustiskt vägledd wavefront shaping för icke-invasiv ljusfokusering. En annan lovande metod är användningen av ultrafasta ljusmodulatorer och modulationsalgoritmer för att övervinna speckle-dekorrelationen orsakad av vävnadsrörelser. År 2019 rapporterade Tzang et al. användningen av en grating light valve, vilket möjliggör kontinuerlig fasmodulering med en hastighet på 350 kHz och ljusfokusering genom levande vävnader på några millisekunder.

Fotoakustisk endomikroskopi har också utvecklats som ett kraftfullt verktyg för att visualisera vävnader inom håliga strukturer genom rotationell skanning av en probe. Denna teknik har varit särskilt användbar för tillämpningar som intravaskulär avbildning och gastrointestinella undersökningar. De senaste framstegen har fokuserat på forward-viewing fotoakustiska endoskopiprober, som är användbara för att vägleda minimalt invasiva procedurer som nålbiopsier, fetalskirurgi och neurokirurgi. Tidigare implementeringar har varit baserade på koherenta fiberbuntar, där en laserstråle skannades över fiberbuntens proximalyta för att leverera ljus till vävnaden via de individuella kärnorna. Denna metod, även om den ger hög upplösning, är begränsad av mellanrummen mellan kärnorna i fiberbunten.

Ett mer lovande alternativ är användningen av multimodala fibrer (MMFs), vilket har visat sig kunna revolutionera medicinsk endoskopi genom att visualisera svåråtkomliga områden i kroppen. MMFs är extremt kostnadseffektiva och kan uppnå högre spatial upplösning än fiberbuntar. Dessutom ger MMF-baserade endoskop system större flexibilitet, då fokuspunktens diameter, form och fokalplan kan justeras. Ljus som färdas genom en MMF är utsatt för modulerad speckle-mönster på grund av ljusets spridning i fibrerna, men genom att modulera den inkommande ljusvågfronten kan dessa mönster formas till ett koncentrerat ljusfläck.

2013 rapporterade Papadopoulos et al. ett koncept för optisk upplösningsfotoakustisk mikroskopi genom en MMF, där ljusdiffusionsbegränsad fokusering uppnåddes med metoden DOPC. Ljus som exciterade vävnaden detekterades med hjälp av en extern piezoelektrisk transducer. Denna metod möjliggör mycket hög spatial upplösning, men kräver tidskrävande optimering eller ett komplext optiskt system. År 2015 utvecklade Stasio et al. en kapillärvågledare med en hålromskärna i en 330 μm diameter silikaring, som användes för dual-modala fluorescens- och fotoakustiska avbildningar.

Under de senaste åren har utvecklingen av fiberoptiska ultrasonsensorer varit en viktig faktor för miniaturiseringen av MMF-baserad OR-PAM (optical-resolution photoacoustic microscopy) till ultratunna endoskop. År 2020 rapporterade Mezil et al. en dual-modal probe för fotoakustisk och fluorescensavbildning baserad på MMF, där både fluorescensljus och fotoakustiska signaler samlades och detekterades via fiberoptiska sensorer.

Den här tekniken, där multimodala fibrer och avancerad wavefront shaping spelar en central roll, har potential att förändra medicinsk avbildning på ett fundamentalt sätt. Möjligheten att visualisera strukturer i vävnader med mycket hög upplösning, på ett icke-invasivt sätt, kan revolutionera diagnostik och behandling inom flera medicinska områden.

Hur kan multimodala fibrer förbättra fotoakustisk mikroskopi och endoskopi?

Fotoakustisk mikroskopi (PAM) har under de senaste åren utvecklats avsevärt, särskilt när det gäller användning av multimodala fibrer (MMF) för att förbättra bildkvaliteten och funktionaliteten hos bildbehandlingstekniker. Flera viktiga framsteg har gjorts för att möjliggöra snabbare och mer precisa avbildningar, och samtidigt minska storleken på de system som används för sådana ändamål.

I en tidigare studie visades en dual-modal fotoakustisk och fluorescensbaserad avbildningssond, där en multimodal fiber användes för att leverera den exciterande lasern. En digital mikromirror-enhet (DMD) användes för att modulera den inkommande optiska vågfronten. Genom att utveckla en algoritm för realvärd intensitetsöverföringsmatris (RVITM) kunde ljustransporten genom fibern karakteriseras och optimera mönstren för raster-scanning av en fokuserad laserstråle. Resultatet var att spatiotemporal upplösning hos systemet kunde skalas i enlighet med laserparameterna, vilket möjliggjorde videorate-avbildning av musers röda blodkroppar vid en hög hastighet på 47 kHz.

För att förbättra systemets kompakthet minimerades denna sond senare genom att ersätta den piezoelektriska transduktorn med en fiberoptisk ultrasensorn baserad på en plan-konvex mikroresonator vid spetsen av en enmodig fiber. Denna förändring tillät användningen av en 20-gauge nål som integrerade både MMF och ultrasensorn parallellt. Högupplösta fotoakustiska bilder av musers röda blodkroppar och örlober ex vivo togs vid en spatial upplösning på 1,2 μm. Sonden gjorde det möjligt att samla in bilder med en hastighet av cirka 3 bilder per sekund, vilket gav tillräcklig tidsmässig upplösning för att använda en videomosaik-programvara för att automatiskt sätta ihop sekventiella bilder vid rörelse.

En annan intressant utveckling involverade användningen av transparenta piezoelektriska transduktorer i fotoakustiska endoskopisystem. I en nyligen genomförd studie placerades en tunn piezoelektrisk film på spetsen av en mässingstub med en fiberoptisk sensor. Detta tillvägagångssätt visade på effektiva avbildningar av kolfiberprover och bidrog till att belysa potentialen för att använda sådana system i endoskopiska tillämpningar. Den främsta fördelen med dessa transparenta piezoelektriska sensorer är deras förenklade tillverkningsprocess och låga kostnad, vilket gör dem mer tillgängliga jämfört med optiska ultrasensorer, även om deras känslighet är lägre.

Trots de stora framstegen finns fortfarande flera utmaningar när det gäller användningen av MMF i fotoakustisk avbildning. En av de mest framträdande är systemets instabilitet orsakad av fiberböjning. Ändringar i fibergeometrin kan drastiskt påverka ljustransporten, vilket leder till försämrad fokusering och bildkvalitet. Studier har dock visat att gradientindex-MMF, som har bättre motståndskraft mot fiberböjning, kan möjliggöra raster-scanning även när fibern är böjd med stora krökningar. Detta öppnar upp för möjligheten att använda dessa system även i mer flexibla och komplexa kliniska miljöer, där fiberböjningar är oundvikliga.

För att möta dessa utmaningar har olika tekniker utvecklats, såsom TM-rekonstruktion baserat på den kända fibergeometrin och GPU-accelererad realtidskarakterisering. Dessa lösningar har potentialen att förbättra bildkvaliteten i system där fibern inte är helt rak, men det är fortfarande en utmaning att skapa fullt flexibla MMF-baserade bildbehandlingssystem med vågfrontshaping. Forskningen inom detta område måste fortsätta för att övervinna denna begränsning.

En annan viktig riktning i forskningen är att förbättra bildhastigheten för att möjliggöra realtidsavbildning. Trots att den nuvarande DMD-hastigheten är 47 kHz, är den högsta bildhastigheten för 100x100 pixels bilder endast 4,7 bilder per sekund. För att uppnå snabbare avbildningar har en metod utvecklats där ett djupt lärande-baserat tillvägagångssätt används för att förbättra bildhastigheten i fotoakustiska endoskopisystem genom att undersampla fysiska scanningpunkter och sedan kompensera för upplösningen med en djup konvolutionell neuralt nätverk (DCNN). Denna metod har visat sig öka bildhastigheten med upp till 16 gånger utan att förlora bildkvalitet.

För att ytterligare öka bildhastigheten kan snabbare hårdvara användas. Till exempel har en programmerbar akustisk optisk deflektor (AOD) använts som ett alternativ till traditionella rumsliga ljusmodulatorer. AOD-tekniken gör det möjligt att skicka ett stort antal RF-kodade strålar genom mediumet och mäta faserna för alla spridda strålar samtidigt med en snabb enpixel-detektor på endast 10 μs, vilket ger en mycket snabbare bildbearbetning.

En annan viktig aspekt för att maximera potentialen hos fotoakustisk mikroskopi via MMF är att utveckla lämpliga ljuskällor för multispektral avbildning. För närvarande begränsas systemet ofta till att använda kvantiserade diod-pumpade lasrar eller Ti:sapphire-lasrar, vilket gör att endast ett fåtal våglängder kan användas för att excitera de absorberande kromoforerna, såsom hemoglobin, lipider och kollagen. För att verkligen kunna visualisera de olika vävnadskomponenterna krävs en ljuskälla med mer flexibla och justerbara våglängder, vilket gör optiska parametriska oscilatorer till en lovande lösning för framtida system.

Hur påverkar emulsioners droppstorlek och volymfraktion värmeöverföring vid kokning?
Hur kan systemreserver och teknologimognad påverka kraftverksdrift och energiförsörjning?
Kan cancerläkemedel användas för att behandla bakteriella infektioner?
Hur förändrades vapenkulturen på 70- och 80-talet, och vad betydde det för framtiden?