Hur påverkar ljudhastighet och akustiska egenskaper upplösningen i ultraljudsbilder?

I studier som fokuserar på att simulera vävnader, såsom bröstvävnad, är det avgörande att skapa modeller som efterliknar de akustiska egenskaperna hos dessa vävnader för att kunna utföra korrekta bildbehandlingar. En sådan modell är en fantom som är konstruerad med en PVCP-lager (polyvinylklorid plast) som representerar körtelvävnad, där dess akustiska dämpningsegenskaper är i linje med de litteraturvärden som finns för bröstvävnad. Dessa akustiska egenskaper visade sig vara tillräckliga för att genomföra bildstudien.

Bildrekonstruktionerna, som visas i figur 12.6b, är gjorda utan att använda ljudhastighetskartan, vilket innebär att den ljudhastighet som användes för att rekonstruera bilden var 1486 m/s, baserat på genomsnittlig vattentemperatur under mätningen. Gränsen mellan PVCP och agar är tydligt synlig, men den dubbla linjen vid gränssnittet tyder på en mismatch i ljudhastighet, eftersom ljudhastighetskartan inte användes vid rekonstruktionen. Upplösningen av materialgränserna, som mättes genom tvärsnitt på 10 olika platser, visade en konstant upplösning på cirka 6 mm vid vatten–PVCP-gränsen och mellan 6 och 10 mm vid PVCP–agar-gränsen. Detta beror troligen på en reflektion som påverkas av betraktelsevinkeln, vilket är en viktig faktor när man analyserar akustiska bilder.

Beträffande upplösningen i de rekonstruerade bilderna är det viktigt att förstå att upplösningen är starkt beroende av val av ljudhastighet och detektionsmetod. I tabellen som återges i studien, anges full bredd vid halva maximum (FWHM) och SNR-värden för trådar och punktabsorberare, vilket ger en kvantitativ bedömning av bildens skärpa. Det visar sig att den bästa bildkvaliteten uppnåddes när ljudhastighetskartan användes för rekonstruktion, vilket resulterade i högre FWHM-värden och bättre SNR. Det är också värt att notera att de största variationerna i upplösning och SNR inträffade när det fanns skillnader i hur ljudvågorna färdades genom de olika materialen i fantomet.

För att få en djupare förståelse för dessa resultat är det viktigt att också beakta hur ljudhastighetens distribution i ett objekt påverkar mätningarna vid användning av bildbehandlingstekniker som PAT. Speciellt vid stora variationer i ljudhastigheten, kan olika delar av objektet ge olika signaler beroende på vilken väg ljudvågorna färdas. Detta kan leda till att vissa strukturer i objektet ser ut att vara splittrade eller otydliga på bilderna.

Hur har PACT-teknologi utvecklats och vad är dess framtid?

Photoacoustic Computed Tomography (PACT) har genomgått betydande utveckling, särskilt när det gäller att kombinera optisk och akustisk avbildning. Teknologin bygger på den fotoakustiska effekten, där ljus som absorberas av vävnader omvandlas till ljudvågor som kan detekteras av ultraljudstransduktorer. PACT möjliggör en kombination av hög upplösning och djupgående avbildning, vilket gör det användbart för både smådjurs- och humana applikationer.

En av de största framstegen inom PACT-teknologi är dess förmåga att producera bilder med en upplösning på hundradelar av en millimeter och en bilddjup på flera centimeter. Detta har möjliggjorts genom förbättrade metoder för signalbehandling och bildrekonstruktion. För att åstadkomma bildrekonstruktioner används metoder som projektion, frekvensdomänrekonstruktion och systemmatrisbaserad rekonstruktion. Dessa tekniker kartlägger det initiala tryckstegringen inuti vävnaden (p0) från de akvaderade PA-signalerna, vilket ger en mer exakt och snabbare bildåtergivning.

Det senaste decenniet har framsteg inom djupinlärning möjliggjort ytterligare förbättringar av bildkvaliteten och hastigheten. Maskininlärningsmodeller har optimerat både hastighet och upplösning av tryck- och absorptionskartor, samtidigt som artefakter har minskat. Detta gör det möjligt för PACT att användas mer effektivt i både forsknings- och kliniska miljöer. Med högre upplösning, bättre signalbehandling och snabbare bilder är denna teknik användbar för hela kroppens smådjursavbildning och potentiellt för människokroppsavbildning också.

PACT-system kan kategoriseras utifrån de transduktorer som används. De kan vara enskilda elementtransduktorer (SET), krökta arraytransduktorer, linjära arraytransduktorer, plana arraytransduktorer och sfäriska transduktorer. Varje typ av transduktor är anpassad för specifika behov, och varje system har sina fördelar och nackdelar beroende på användningsområdet.

Till exempel utvecklades det första PACT-systemet på 2000-talet och använde en enkel SET. Detta system användes för smådjursavbildning och djupa vävnadsskanningar. Den första SET-baserade PACT-systemet var utrustat med en Nd:YAG-laser, och de akustiska signalerna detekterades med en ultraljudstransduktor med hög känslighet. Även om detta system var grundläggande, var det tillräckligt för att demonstrera den funktionella avbildningens potential och användbarhet för forskningssyften. En sådan typisk avbildning kan ta upp till 16 minuter per komplett skanning, och upplösningen var runt 0,2 mm.

Med tiden har systemens hastighet och portabilitet förbättrats, särskilt genom användning av pulserande laser-dioder (PLD). Dessa enheter erbjuder högre pulsåterhastning och gör det möjligt att genomföra skanningar snabbare, samtidigt som bildkvaliteten bibehålls. När flera SET-enheter används, som i ett system där åtta transduktorer arbetar samtidigt, kan bildtagning göras med en hastighet på upp till 2 bilder per sekund. En sådan förbättring är avgörande för dynamisk avbildning av levande organismer.

PACT-teknologin har också utvecklats för att kunna genomföra hela kroppens smådjursavbildningar, inklusive möjligheten att spåra läkemedelsabsorption och -distribution. Detta innebär att PACT kan användas inte bara för att studera anatomi utan också för att undersöka funktionella processer i levande vävnader. Med hjälp av metoder som att stimulera whisker och sedan avbilda hjärnans kortikala regioner har forskare visat på de funktionella möjligheterna med denna teknik.

För framtiden finns det fortfarande områden för förbättring. Bildrekonstruktionsmetoder kan optimeras för att minska artefakter ytterligare, och användning av fler avancerade bildbehandlingstekniker kan hjälpa till att förbättra upplösningen och hastigheten på skanningarna. Det finns också behov av att skapa mer kompakt och billigare system för kliniskt bruk, där LED-baserade PACT-enheter kan spela en central roll.

Det är också viktigt att beakta det växande intresset för att använda PACT i kombination med andra bildbehandlingstekniker som magnetresonanstomografi (MRI) och positronemissionstomografi (PET). Genom att kombinera dessa teknologier kan man få en mer detaljerad och exakt bild av både struktur och funktion, vilket öppnar upp för mer komplexa kliniska applikationer. Dessutom gör avancerad databehandling och maskininlärning det möjligt att utnyttja alla dessa data för att skapa ännu mer precisa och användbara kliniska verktyg.