Hur kan fotoakustisk spektralanalys användas för att diagnostisera hjärtinfarkt, cancer och prostataförstoring?

Fotoakustisk spektralanalys (PA) erbjuder ett lovande alternativ för att utföra icke-invasiva och mer exakta diagnoser av olika sjukdomar, inklusive tumörer och hjärtinfarkt. Genom att utnyttja det fotoakustiska fenomenet, där laserpulser exciterar biologiska vävnader och genererar ultraljudssignaler, kan forskare och läkare få detaljerad information om vävnadens sammansättning och struktur. Det unika med PA-metoden är dess förmåga att visualisera och kvantifiera molekylära förändringar i vävnader, vilket gör den särskilt användbar för att identifiera patologiska förändringar vid hjärtinfarkt, cancer och andra sjukdomar där mikrovaskulaturen eller vävnadsstrukturen spelar en central roll.

För att ytterligare förbättra PA:s kapabiliteter har en metod utvecklats som kallas Dubbellångdsvågs Fotoakustisk Spektral Analys (DWPASA). Genom att använda två olika våglängder (1310 nm och 1450 nm) har denna metod visat sig kunna mäta specifika molekylära förändringar i hjärtvävnad före och efter infarkt. Resultaten från experiment på råttmodeller visar att metoden inte bara kan definiera infarktens gränser, utan även ge kvantitativa parametrar som kan användas för att övervaka sjukdomsprogression, vilket kan vara avgörande för att förutse och styra behandling.

Ett annat område där PA-teknologi har fått stor uppmärksamhet är i detektion och mätning av mikrovaskulär struktur, särskilt när det gäller cancer. Tumörer kräver en riklig blodtillförsel för att kunna växa, och förändringar i mikrovaskulaturen är ofta ett tidigt tecken på tumörutveckling. PA-metoden, särskilt PA-PAS (Fotoakustisk Spektral Analys), har visat sig effektiv för att analysera blodkärl och mikrovaskulär struktur i tumörer genom att mäta förändringar i blodflöde och kärlens struktur. PA-PAS erbjuder förbättrad känslighet och noggrannhet jämfört med traditionella tekniker, särskilt för mindre blodkärl, och kan användas för att kartlägga tumörens angiogenes.

I kampen mot prostatacancer har PA-teknologi också visat sin potential. Prostatacancer är den vanligaste cancerformen hos män, och traditionella biopsimetoder, som ofta är tidskrävande och kan ge enbart ungefärliga diagnoser, kan nu potentiellt förbättras genom användning av PA. Fotoakustisk spektralanalys kan användas för att bedöma vävnadens mikroskopiska struktur och komponenter, vilket gör att den kan ge en mer objektiv och exakt bedömning av cancerstrukturen än vad som tidigare varit möjligt. I kombination med metoder som MRI och ultraljud kan PA bidra till en snabbare och mer exakt diagnostisering av prostatacancer.

Förutom dessa specifika tillämpningar öppnar PA-teknologi dörrar till nya sätt att övervaka och behandla ett brett spektrum av sjukdomar. Det viktiga att förstå är att PA-teknologi inte bara handlar om att visualisera vävnader och organ, utan också om att få insikt i de molekylära förändringarna som sker i kroppens vävnader under sjukdomsprogression. Detta gör att den har potential att revolutionera både tidig diagnos och behandling genom att ge läkare och forskare nya verktyg för att upptäcka sjukdomar i ett mycket tidigt skede.

En viktig aspekt som måste beaktas när man införlivar PA-teknologi i kliniska tillämpningar är dess precision och validering. Trots de lovande resultaten som PA-metoden har visat i experimentella studier, måste dessa tekniker fortfarande valideras och optimeras för att säkerställa att de ger tillförlitliga och reproducibla resultat i kliniska miljöer. Samtidigt bör man också vara medveten om att PA-metoden, liksom alla nya teknologier, kan vara föremål för begränsningar beroende på vävnadstyp, djup och andra variabler.

Hur kan fotoakustisk avbildning förbättra medicinska ingrepp och behandlingar?

Fotoakustisk avbildning, en teknik som kombinerar optiska och akustiska egenskaper, har potentialen att revolutionera flera områden inom medicinsk diagnostik och behandling. Tekniken, som bygger på det fotoakustiska fenomenet där vävnader absorberar laserljus och genererar ultraljudssignaler, gör det möjligt att få detaljerade bilder av vävnader med en hög upplösning och djup. Denna metod används för att guida kirurgiska ingrepp och förbättra precisionen vid diagnostiska procedurer.

Vid endovenös laserablation, en behandling som används för att ta bort blodproppar och behandla åderbråck, har fotoakustisk avbildning visat sig vara särskilt effektiv. Genom att använda fotoakustiska bilder kan läkare exakt lokalisera de specifika områdena som kräver behandling. Flera studier har visat på möjligheterna med fotoakustisk vägledning för denna typ av ingrepp. Exempelvis har Yan et al. (2021) undersökt hur fotoakustisk avbildning kan användas för att förbättra resultaten vid endovenös laserablation genom att tillhandahålla realtidsinformation om vävnadsstruktur och blodflöde.

En annan lovande tillämpning av fotoakustisk avbildning är inom hjärtkateterisering. Här har fotoakustik visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att minska behovet av fluoroskopi under procedurer, vilket både minskar strålningsexponering och förbättrar precisionen i ingreppen. Graham et al. (2020) visade att fotoakustisk bildbehandling i kombination med robotstyrning av katetrar kan förbättra både säkerheten och effektiviteten under hjärtinterventioner.

Förutom dessa tillämpningar har fotoakustisk avbildning också potential inom områden som att visualisera artärstentar, identifiera sår och infektioner samt för att studera olika typer av tumörer i realtid. Genom att ge en både högupplöst och djupgående bild av vävnader gör fotoakustik det möjligt att få insikter om biologiska processer som annars skulle vara svåra att observera.

Vidare, med tanke på de pågående framstegen inom maskininlärning och artificiell intelligens, finns det stora möjligheter att förbättra bildanalys och tolkning av fotoakustiska data. Deep learning-algoritmer kan potentiellt automatisera många steg i bildbearbetningen och ge mer precisa diagnoser och behandlingsplaner.

Med dessa teknologiska framsteg har fotoakustisk avbildning förmågan att förändra både diagnostik och behandling på en rad medicinska områden. Utan tvekan kommer denna teknik att spela en viktig roll i framtidens medicinska bildbehandling och interventioner.

Hur övervinns upplösningsbegränsningar genom kvant-sensorer och fotoakustisk avbildning?

Det har länge funnits en gräns för den upplösning som kan uppnås inom olika avbildningstekniker. Traditionellt sett har upplösningsgränser i mikroskopi och andra bildteknologier varit begränsade av fysikens lagar, såsom diffraktion och sensorstorlek. Emellertid har nya framsteg inom kvantteknologi och fotoakustisk avbildning börjat utmana dessa traditionella gränser och öppnar nya dörrar för extremt högupplöst avbildning inom biomedicinsk forskning och medicinsk diagnostik.

Kvant-sensorer har visat sig kunna övervinna upplösningsbegränsningar genom att dra nytta av kvantmekanikens fenomen, som superposition och sammanflätning, vilket gör det möjligt att förbättra precisionen vid mätning av små avstånd och svaga signaler. Dessa sensorer använder mikroskopiska kvantsystem för att detektera små förändringar i omgivningen med en oslagbar noggrannhet, och de har redan applicerats inom områden som materialvetenskap, bioteknik och fysik.

När det gäller fotoakustisk avbildning, som kombinerar optisk och akustisk teknik, har utvecklingen också varit revolutionerande. Fotoakustisk avbildning använder laserljus för att excitera vävnader, vilket genererar ultraljudssignaler som sedan används för att skapa bilder med hög spatial upplösning. Det finns flera olika tillämpningar av denna teknik, från att visualisera tumörer i realtid till att ge detaljerad information om mikroskopiska strukturer i vävnader som tidigare varit svåra att nå med traditionell avbildning.

För att ytterligare förbättra upplösningen har forskare börjat använda metoder som superupplösning, där signalerna från enstaka molekyler eller partiklar lokaliseras exakt för att skapa bilder på en mycket mindre skala än tidigare möjligt. Till exempel har tekniker som fotoakustisk mikroskopi och fotoakustisk tomografi använts för att ta bilder på cellulär och organellnivå, vilket ger en unik inblick i biologiska processer. I vissa fall kan dessa tekniker uppnå upplösningar på mikrometer eller till och med nanometer.

Det är också viktigt att förstå de fysiska begränsningarna för dessa tekniker. Till exempel, inom fotoakustisk avbildning, är upplösningen starkt beroende av laserns pulsbredd, detektionssystemets bandbredd och avståndet mellan vävnaderna som ska imageras. Genom att noggrant justera dessa parametrar kan man uppnå en högre detaljnivå i bilderna, men detta kräver ett djupt förståelse för den fysik som styr dessa processer.

Tekniken har också applicerats för att utveckla kontrastmedel för att förbättra bildkvaliteten i specifika vävnader, vilket är särskilt användbart vid cancerdiagnos. Specifika kontrastmedel, som nanopartiklar eller färgämnen, kan riktas mot tumörceller eller specifika biomarkörer och därmed ge en ännu mer detaljerad bild av de cellulära strukturerna. Enligt studier är dessa kontrastmedel avgörande för att särskilja friska vävnader från patologiska förändringar i kroppen, vilket har visat sig vara en potentiell tillgång för tidig upptäckt av cancer och andra sjukdomar.

För att ytterligare optimera dessa metoder behövs det kontinuerlig forskning och utveckling. Nyare framsteg som användningen av multifokala fotoakustiska mikroskop och 2D-kapacitiva mikromaskinerade ultraljudstransducerarrayer lovar att ge ännu mer detaljerade bilder av djupt liggande vävnader. Men teknologin är ännu inte perfekt, och varje ny innovation kommer med sina egna tekniska och praktiska utmaningar. Den stora frågan som fortfarande kvarstår är hur dessa tekniker ska kunna implementeras effektivt i kliniska miljöer där tiden och kostnaden är avgörande faktorer.

Därför är det viktigt att förstå att även om tekniken är lovande, så är den fortfarande i ett utvecklingsskede. Den kräver ytterligare forskning för att nå sin fulla potential. För forskare och ingenjörer inom området är den största utmaningen att finna en balans mellan hög upplösning, snabb bildtagning och praktisk användbarhet i en klinisk miljö. Vad som återstår är att fortsätta att utveckla tekniken så att den kan integreras i vanliga diagnostiska rutiner på ett kostnadseffektivt sätt.

Hur kan vi hantera den omvända problematiken inom kvantitativ fotoakustisk tomografi?

I det andra steget av kvantitativ fotoakustisk bildbehandling uppskattas optiska parametrar från de fotoakustiska bilder som erhålls som lösning på det akustiska inversa problemet. Denna andra omvända problematik involverar en icke-linjär framåtmodell som beskriver ljusets spridning i vävnader. De flesta tillvägagångssätt för denna optiska omvända problematik har grundat sig på att använda den diffusa approximationen (DA) som ljustransportmodell. Dock har även RTE (radiation transport equation) och Monte Carlo-metoder för ljustransport använts. Förutom att modellera ljusets spridning och absorption måste även den fotoakustiska effektiviteten, identifierad av Grüneisen-parametern, tas i beaktande.

Estimering av mer än en optisk parameter är ett icke-entydigt problem om endast en ljusbelysning används. För att lösa detta har en metod varit att anta att spridningen är känd. I praktiska tillämpningar är dock spridningen ofta inte känd. Det har visat sig att icke-entydigheten kan övervinnas genom att använda flera ljusbelysningar. En annan strategi har varit att kombinera fotoakustik med diffus optisk tomografi (DOT) för att underlätta lösningen av detta icke-entydiga problem.

För att lösa den optiska inversa problematiken har flera metoder föreslagits. En enkel metod har varit att anta att fotonflödet är känt eller kan beräknas med hjälp av fördefinierade optiska parametervärden, och sedan lösa absorptionsproblemet med hjälp av så kallade flödeskorrektionsmetoder. Nackdelen med dessa metoder är att både absorption och spridning påverkar fotonflödet, vilket leder till modelleringsfel när dessa parametrar approximativt behandlas som förutbestämda. Ett alternativ har varit att använda linjäriserade modeller som leder till enkla lösningar för att estimera absorptionen eller både absorption och spridning samtidigt.

En annan vanlig metod är att formulera problemet som en regelbundeniserad minimiseringsuppgift där en optisk framåtoperator används för att beskriva ljusets spridning, och där optiska parametrar skattas genom att lösa en minimiseringsfunktion med hjälp av numeriska optimeringstekniker. För att hantera osäkerheter och brus i data har den Bayesianska metoden även använts, vilket möjliggör införande av kvantitativa priormodeller.

När man försöker uppskatta blodsyremättnaden är det ofta mer praktiskt att använda mer avancerade metoder som till exempel artificiella neuronnätverk för att förutsäga kartor av blodets syremättnad direkt från de fotoakustiska mätningarna. Detta görs antingen genom att träna nätverken på rekonstruerade tryckkartor vid flera olika våglängder eller genom att direkt förutsäga optiska parametrar utan att använda traditionella modellbaserade metoder.

För att ytterligare förbättra resultaten har man börjat kombinera fotoakustiska och optiska metoder i en integrerad process. Till exempel, i vissa studier har man direkt återhämtat både ljudets hastighet och optiska parametrar samtidigt. Det har även föreslagits att använda maskininlärning för att uppskatta optiska parametrar från de akustiska signalerna, även om sådana metoder ibland kan vara mindre effektiva jämfört med modellbaserade metoder.

Även om de flesta av dessa metoder har testats i laboratoriemiljö och under idealiska förhållanden, är de flesta tillvägagångssätt inte fullständigt robusta för de faktiska mätförhållanden som ofta förekommer vid klinisk tillämpning. En viktig aspekt är att den fotoakustiska signalen påverkas av mätinstrumenten, såsom akustiska sensorns bandbredd och direktivitet, samt osäkerheter relaterade till själva mätuppställningen. Därför krävs en mer omfattande modellering som inte bara inkluderar ljusets och ljudets spridning utan även specifika detaljer om mätutrustningen.

Endtext

Hur fungerar MWCNT-PDMS-kompositer i optiska ultraljudstransduktorer?

I strävan efter att förbättra upplösningen och bredden på ultraljudsbilder har forskare undersökt hur olika material och kompositer kan optimeras för att generera mer effektiva och högupplösta bilder. Colchester et al. visade att för att uppnå högre upplösning i ultraljudsbilder krävs både en smalare laserpulsduration och en tunnare komposit. Denna senare åtgärd, som innebar att en tunnare komposit skulle minska ultraljudstrycken, föreslogs försiktigt eftersom en sådan förändring kan leda till en minskad effekt i själva ultraljudsprovet.

En ytterligare studie av Noimark et al. (2015) fokuserade på att optimera prestandan hos MWCNT-PDMS-beläggningar genom att förbättra MWCNT-beläggningarna med funktionaliserade pyrenligander och justera nanotubbeladdningen. De utvecklade tre strategier för att tillverka fiberoptiska MWCNT-PDMS-kompositer och genomförde en studie som undersökte fiberytornas morfologi, optisk absorption och genererade ultraljudssignaler. En viktig utmaning som de stötte på var bildandet av kafferingseffekter vid torkning av lösningarna, vilket är ett fenomen som tidigare har dokumenterats inom andra områden, som bläckstråleskrivare.

Vidare visade Noimark et al. att användningen av en organogel-formulering för att skapa en bilagerkomposit gav bättre prestanda än en enkel, integrerad komposit. Organogelkompositen, med en maximal domtjocklek på mindre än 20 μm, gav bättre ultraljudstryck och en bredare frekvensbandbredd än de andra två typerna av kompositer. Under testperioder visade det sig att alla tre typerna av kompositer var stabila under långvarig användning och att prestandan inte förändrades över tiden.

När de fiberoptiska MWCNT-PDMS-nanokompositerna användes i in vivo-bildbehandling för första gången, visade det sig att dessa material hade en lovande potential för användning i kliniska tillämpningar, såsom bildstyrda minimalt invasiva interventioner. I ett experiment där en mycket liten fiberoptisk ultraljudsprober användes, kunde forskarna visualisera hjärtklaffar och septum i en svinhjärta och genomföra en transeptal punktering, vilket visade på den kliniska användbarheten hos denna teknik.

Fibrerna som användes i dessa system var belagda med MWCNT-PDMS-kompositer, som ger god värmeavledning och möjliggör högfrekvent ultraljudsgenerering, vilket är nödvändigt för att uppnå högupplösta bilder i kliniska miljöer. Det har även visats att CSNPs (karbonsilica-nanopartiklar) kan spela en viktig roll i utvecklingen av dessa typer av optiska ultraljudstransduktorer. Deras unika porösa struktur gör att de kan överföra värme snabbt, vilket i sin tur är fördelaktigt för att uppnå den ultraljudsfrekvens och upplösning som krävs för kliniska bilder.

För att få bättre förståelse för dessa fiberoptiska kompositer är det också viktigt att överväga hur dessa material kan skalas upp för praktisk användning i kliniska miljöer. Forskning om materialets stabilitet och hållbarhet under långvarig användning i varierande miljöer är central för att säkerställa att dessa teknologier kan användas på ett tillförlitligt sätt. Vidare krävs det en grundlig förståelse för både optisk absorption och ultraljudsprestanda för att kunna skräddarsy dessa material för specifika kliniska applikationer, där hög upplösning och precision är avgörande.