Mikroelektromechaniska system (MEMS) har visat sig vara en lovande lösning för att lösa problem med bildhastighet i fotoakustisk mikroskopi (PAM). Genom att utveckla kompakta och stabila MEMS-skannrar, har forskare förbättrat PAM-systemens design och bildkvalitet avsevärt. Tidigare var bildbehandling i PAM begränsad till ett smalt fokusområde där ljusstrålen endast kunde skanna ett begränsat område av intresse. Detta begränsade användningen av PAM, särskilt i applikationer som kräver högre upplösning och snabbare bildtagning. Med hjälp av MEMS-teknologi, där ljusstrålar och fotoakustiska vågor styrs simultant genom en opto-akustisk kombinerare, har PAM nu uppnått snabbare bildhastigheter och högre upplösning.

En betydande förbättring av MEMS-baserade PAM-system är dess förmåga att utföra tidsupplösta bilder med hög hastighet. I experiment har PAM-system med MEMS-skannrar uppnått en 1D-bildhastighet på 500 kHz för morfologiska bilder och 100 kHz för blodsyresättning, vilket gör det möjligt att fånga dynamiska förändringar i vävnader med hög precision. Detta har lett till framsteg i visualisering av blodflöde och syremetabolism i djurmodeller, vilket potentiellt kan tillämpas i klinisk forskning och diagnostik.

För att minska systemens storlek och öka rörligheten, har handhållna MEMS-baserade PAM-enheter också utvecklats. Dessa system, som kan vara så små som 80 mm × 115 mm × 150 mm, har en 1-axlig MEMS-skanner och är utrustade för att avbilda en mängd olika anatomiska regioner. Till exempel, en system med en 1-axlig MEMS-skanner kan uppnå en bildhastighet på 220 Hz längs den laterala axeln, vilket gör det möjligt att snabbt fånga detaljerade bilder av vävnader i realtid. För att ytterligare komprimera dessa system, har forskare utvecklat en 2-axlig MEMS-skanner som kan integreras i handhållna enheter med en diameter på endast 17 mm och en vikt på 162 g. Detta möjliggör ännu snabbare och mer exakt avbildning av biologiska prover, inklusive levande musvävnader som öron, iris och hjärna.

Förutom MEMS-skannrar finns det också andra teknologier som förbättrar bildhastigheten i PAM-system, såsom galvanometer-skannrar. Dessa skannrar erbjuder jämförbar stabilitet och bildhastighet som MEMS-system, vilket gör dem till ett alternativ för vissa applikationer. Galvanometer-skannrar har visat sig ge hög signal-till-brus-förhållande (SNR) och snabba bildhastigheter, vilket gör det möjligt att övervaka funktionella hemodynamiska processer som blodflöde i mikrovaskulaturen i realtid.

Polygon-spegel-skannrar har också använts för att utveckla avancerade PAM-system som uppnår ännu högre bildhastigheter, ibland upp till 900 Hz för B-scanning. Dessa system använder en hexagonal spegel som roterar vid konstant hastighet och reflekterar både ljusstrålar och akustiska vågor samtidigt. Genom att utnyttja denna teknik kan forskare skapa högupplösta bilder av biologiska vävnader på mycket kort tid, vilket är viktigt för att studera funktionella processer på mikroskopisk nivå.

Det är viktigt att förstå att utvecklingen av dessa teknologier inte bara handlar om att öka bildhastigheten. Samtidigt som hastigheten förbättras, måste bildkvaliteten upprätthållas. Det är därför avgörande att varje ny innovation i PAM-teknologin inte bara fokuserar på att snabba upp scanningprocessen utan även att säkerställa att systemet behåller en hög upplösning och noggrannhet. MEMS, galvanometer och polygon-skannrar erbjuder olika fördelar beroende på applikationen, och varje typ av scanner har sin egen roll i att förbättra specifika aspekter av PAM-tekniken, såsom hastighet, upplösning, och tillförlitlighet i funktionella avbildningar.

Det är också viktigt att förstå att även om PAM-teknologierna har gjort stora framsteg, är det fortfarande många utmaningar som återstår. Framtida forskning bör inrikta sig på att lösa problem som rör strålningsförlust, öka scanninghastigheten ytterligare och minska storleken på systemen för användning i kliniska miljöer. För att uppnå detta, kan forskare också utforska nya material och metoder för att förbättra signalbehandling och opto-akustiska kombinerare.

Hur kan fotoakustisk avbildning bidra till att förstå tumörvasculatur och syresättning?

Fotoakustisk avbildning (PA) har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att få en djupgående förståelse av tumörernas biologiska dynamik, särskilt när det gäller deras vaskulära struktur och syresättning. Genom att visualisera hemoglobin i vävnader kan PA ge viktig information om faktorer som angiogenes, vaskulär densitet, genomsläpplighet och tortuositet, som alla påverkar syre- och näringstillförseln till den neoplastiska vävnaden. Denna typ av avbildning gör det möjligt att på ett icke-invasivt sätt kartlägga tumörens mikrostruktur utan behov av kontrastmedel.

PA-avbildning gör det också möjligt att skilja på skillnader mellan olika delar av tumören. En studie som använde multispektral optoakustisk tomografi (MSOT) visade att den totala hemoglobinnivån var högre i tumörens kant jämfört med dess centrum. Detta är förenligt med den allmänt accepterade uppfattningen att tumörer tenderar att vara hypoxiska i sitt centrum på grund av deras omfattande metaboliska belastning, vilket leder till en låg vaskulär miljö där syretillgången är begränsad. Denna hypoxi är en central mekanism i tumörens biologi och en viktig aspekt av varför tumörer växer och sprider sig.

En annan fördel med PA-avbildning är dess förmåga att kartlägga vaskulära nätverkskomplexitet i tre dimensioner, något som är svårt att uppnå genom histologiska tekniker. Genom att använda avancerade algoritmer för kärnsegmentation kan man visualisera och kvantifiera kärlstrukturens topologi. Studier har visat att PA kan ge en detaljerad beskrivning av kärldiameter, längd, förgreningar och även kopplingar mellan kärl, vilket ger en mer detaljerad bild av tumörens vaskulära arkitektur.

Forskning har också visat att PA kan användas för att mäta syremättnad i tumörernas vaskulatur. Tumörer, på grund av sin höga metabolisk aktivitet, tenderar att ha en låg syremättnad (StO2) jämfört med frisk vävnad. En studie där PA användes för att undersöka glioblastom visade att tumörernas vaskulatur hade lägre StO2-värden än normalt vävnad, vilket bekräftar hypotesen om tumörernas hypoxiska karaktär. Detta har viktiga implikationer för tumörernas behandling, eftersom syremättnad är en central faktor för att förstå hur tumören svarar på terapi.

Genom att använda PA-teknik för att undersöka vaskulära förändringar i tumörer har forskare kunnat identifiera viktiga parametrar som kan användas för att förutsäga behandlingseffekt och progression. Ett exempel på detta är användningen av syre-förstärkt PA (OE-PA), som gör det möjligt att mäta förändringar i StO2 i realtid utan att behöva använda kontrastmedel. OE-PA ger information om perfusion, syrediffusionshastighet och nekros i tumören. Detta gör det möjligt att utvärdera om hypoxiska områden i tumören är cykliska eller akuta, eller om tumören genomgår vaskulär normalisering som ett resultat av behandling.

Avbildningstekniker som PA, som inte kräver invasiva ingrepp, erbjuder nya möjligheter för att bedöma tumörers vaskulära och funktionella egenskaper utan att använda exogena kontrastmedel. Detta skapar en potential för att bättre förstå tumörers biologiska mekanismer och utveckla mer precisa och effektiva behandlingsstrategier.

För att fullt ut förstå den komplexa relationen mellan vaskulära förändringar och tumörbiologi är det viktigt att betona att PA-avbildning ger en snapshot av tumörens vaskulära tillstånd vid en given tidpunkt. För en mer heltäckande bild bör den kombineras med andra metoder för att utvärdera tumörens molekylära och cellulära egenskaper, inklusive genetiska profiler och biomarkörer. PA kan spela en avgörande roll i att integrera dessa olika nivåer av information och därigenom ge en mer precis och dynamisk bild av tumörens utveckling och respons på behandling.

Hur Fotoakustisk Endoskopi Används i Kliniska Tillämpningar och Forskning

Fotoakustisk endoskopi (PAE) är en ny och lovande teknik som förenar fördelarna med både optisk och akustisk bildbehandling för att skapa detaljerade och precisa bilder av vävnader inuti kroppen. Tekniken bygger på principen att vävnader i kroppen kan ge upphov till fotoakustiska signaler när de belyses med laserljus. Dessa signaler kan sedan detekteras och omvandlas till bilder som ger en inblick i strukturer och avvikelser på mikroskopisk nivå. När forskningen och teknologin utvecklas, görs kontinuerliga förbättringar i bildkvalitet, hastighet och prestanda för fotoakustisk endoskopi, vilket gör det till en viktig metod i många kliniska tillämpningar.

En av de viktigaste faktorerna som påverkar effektiviteten hos fotoakustisk endoskopi är endoskopets konfiguration. Valet av sidovy eller framåtriktad vy för endoskopet spelar en avgörande roll för dess kliniska användning och förmåga att skapa detaljerade bilder.

Sidovy

I sidovy-konfigurationen av fotoakustisk endoskopi integreras en avbildningssond med en transducerenhet på sidan av endoskopet. Detta arrangemang gör det möjligt för enheten att fånga bilder i en tvärsnittsvinkel, vilket ger värdefull information om vävnadsstrukturer och avvikelser under ytan. Transduktorerna i sidovy-modellen är strategiskt placerade på sidorna av sonden och ansvarar för att detektera de fotoakustiska signaler som genereras i vävnaden. De mottagna signalerna behandlas för att rekonstruera tvärsnittsbilder av vävnaden. Sidovy-konfigurationen är särskilt användbar för att diagnostisera gastrointestinala sjukdomar som kolorektal cancer, magsår och inflammatoriska tarmsjukdomar. Den gör det möjligt att bedöma mukosala och submukosala lager, vilket underlättar tidig upptäckt och korrekt stadieindelning. Vid intravasculära tillämpningar kan sidovy-fotoakustisk endoskopi användas för att visualisera blodkärl inuti och upptäcka sårbara plack, vilket är viktigt för att vägleda interventioner som angioplastik eller stentplacering.

Framåtriktad vy
I framåtriktad vy-konfigurationen integreras både bildbehandlings- och transducerkomponenter vid endoskopets spets, vilket ger en direkt sikt framåt. Detta arrangemang möjliggör realtidsvisualisering av vävnadsstrukturer direkt framför enheten. I denna konfiguration är de optiska och akustiska komponenterna miniatyriserade och placerade vid endoskopets spets, där de samarbetar för att belysa vävnaden med laserljus och detektera de resulterande fotoakustiska signalerna. Framåtriktad fotoakustisk endoskopi används ofta inom urologi för att visualisera inre strukturer i urinvägarna och assistera vid upptäckt och övervakning av urinblåsecancer och andra urologiska sjukdomar. Tack vare den direkta siktlinjen ger denna konfiguration en klar bild av den vävnad som undersöks.

I sammanfattning har både sidovy- och framåtriktade vykonfigurationer sina unika tillämpningar och fördelar beroende på det kliniska sammanhanget och vilken typ av vävnad eller organ som ska avbildas. Valet av konfiguration avgörs av det specifika fallet och vilken typ av diagnostik som är nödvändig.

Vid utvecklingen av fotoakustisk endoskopi är det även viktigt att förstå de tekniska och biologiska begränsningarna. Till exempel kan det finnas svårigheter att få tillräcklig upplösning på djupare vävnadsnivåer eller att fånga vissa specifika vävnadstyper som har låg fotoakustisk respons. Denna teknik är inte en universell lösning för alla medicinska tillstånd, utan måste användas i samklang med andra diagnostiska metoder för att uppnå bästa möjliga resultat. Vidare är det avgörande att överväga säkerheten vid användning av höga laserintensiteter, som kan orsaka skador om de inte hanteras korrekt. Därför är noggrant protokoll och säkerhetsåtgärder centrala för att denna teknologi ska kunna användas effektivt och på ett säkert sätt.

Hur rekonstruktion av fotoakustiska bilder genomförs: Modellering och metoder

Fotoakustisk tomografi (PAT) är en kraftfull teknik som kombinerar optisk och akustisk bildbehandling för att skapa detaljerade bilder av biologiska vävnader. När ljus absorberas av vävnader, genereras akustiska vågor på grund av den fotoakustiska effekten, och dessa vågor används för att rekonstruera bilder av vävnadernas inre struktur. Återuppbyggnaden av dessa bilder är en komplex process som involverar att lösa både optiska och akustiska problem. I denna sektion fokuserar vi på de metoder som används för att lösa det akustiska inversa problemet, samt hur dessa tekniker kan tillämpas för att förbättra bildrekonstruktionen i PAT.

Vid lösning av det akustiska problemet i PAT antas oftast att vävnaden är homogen och isotrop, vilket innebär att akustiska vågor sprider sig likadant i alla riktningar. Detta innebär att man kan använda linjära akustiska ekvationer för att beskriva spridningen av tryckvågorna. När ljuset absorberas av vävnaden genereras ett initialt tryck som sprider sig genom mediet. Detta tryck kan beskrivas med hjälp av den akustiska vågekvationen, där vi antar att mediets ljudhastighet är konstant.

Det första steget i bildrekonstruktionen är att lösa för det initiala trycket, vilket motsvarar den optiska energi som absorberas i vävnaden. Detta kräver att man löser för den fotonflöde som skapar tryckvågorna. För detta ändamål används vanligtvis en diffusionsapproximation (DA) för att modellera ljusets spridning, särskilt när mediet är scattering-dominerat. DA antar att ljuset sprider sig på ett nästan jämnt sätt över ett stort område, vilket är giltigt när ljuset har spridits genom ett medel för ett flertal spridningslängder. I PAT kan dock det önskade avbildningsdjupet vara mycket litet jämfört med spridningslängden, vilket innebär att DA inte alltid är en exakt approximation.

För att modellera den fotoakustiska effekten används en relation mellan den absorberade optiska energitätheten och det initiala trycket. Det absorberade ljuset omvandlas till tryck genom fotoakustisk effektivitet, som kan identifieras med Grüneisen-parametern, vilken beror på det absorberande mediet.

När det gäller rekonstruktion av bilder är det akustiska inversa problemet centralt. Här är det viktigt att lösa för den initiala tryckfördelningen baserat på de tryckvågor som mäts på sensorer vid ytan av det undersökta området. Detta innebär att vi måste hitta en metod för att gå från de uppmätta signalerna till den initiala tryckfördelningen. Eftersom mätningarna oftast är begränsade till endast en del av ytan (i en så kallad begränsad vy), måste rekonstruktionen göras under dessa restriktioner, vilket är en betydande utmaning.

En vanlig metod för att lösa det akustiska inversa problemet är backprojection, där mätdata projiceras tillbaka på sfäriska skalor för att rekonstruera det initiala trycket. Denna metod fungerar bra när mätdata finns från ett tillräckligt stort antal detektorer som täcker en stor del av ytan. Om mätningarna däremot är begränsade, kan rekonstruktionen bli mindre exakt, och artefakter kan uppstå i den återuppbyggda bilden. Ett exempel på detta är tiden för återgång (time reversal), där den uppmätta tryckvågen återges i omvänd ordning för att rekonstruera det initiala trycket. Detta tillvägagångssätt är intuitivt och fungerar bra i vissa situationer, men det är känsligt för gränsvillkoren.

För att förbättra resultatet under begränsade mätförhållanden eller sparsamma data används variational metoder. Dessa metoder optimerar rekonstruktionen genom att minimera en kostnadsfunktion, där man strävar efter att få bästa möjliga överensstämmelse med de uppmätta data samtidigt som man regulariserar lösningen för att undvika överanpassning. Detta gör att man kan återuppbygga bilden mer exakt, även vid begränsade eller osäkra mätdata.

I många fall används även avancerade tekniker, såsom filter-backprojection och optimeringsalgoritmer, för att hantera de utmaningar som uppstår när mätdata är ofullständiga eller påverkade av brus. En viktig aspekt av dessa metoder är att de tillåter kvantitativ återuppbyggnad av bilder, vilket är avgörande för att korrekt förstå de biologiska strukturer som undersöks. För att erhålla korrekta kvantitativa värden är det nödvändigt att ha en noggrann återställning av tryckdistributionen.

För att sammanfatta är rekonstruktionen av fotoakustiska bilder en komplicerad process som kräver noggrant val av algoritmer beroende på tillgången på mätdata och mediets egenskaper. Metoder som backprojection och variational metoder används för att lösa det akustiska inversa problemet, medan fotoakustisk effektivitet och spridningsmodeller används för att behandla den optiska delen av problemet. Genom att kombinera dessa metoder kan vi erhålla detaljerade och precisa bilder av biologiska vävnader, vilket öppnar upp nya möjligheter för medicinsk bildbehandling.

Hur multimodala optiska fibrer kan förbättra fotoakustisk mikroskopi: Framtida möjligheter och utmaningar

Multimodala optiska fibrer (MMF) har under de senaste åren blivit ett hett ämne inom fotoakustisk mikroskopi (PAI) och bildbehandling. Dessa fibrer erbjuder en potentiellt kraftfull lösning för att förbättra upplösning och bildkvalitet vid optisk och akustisk avbildning av biologiska strukturer, som blod- och lymfkärl. Emellertid ställs forskare inför flera tekniska och praktiska utmaningar i deras implementering, särskilt i realtidsapplikationer.

Ett av de största hindren för användning av MMF i fotoakustisk mikroskopi är den begränsade tuningshastigheten och den låga repeteringshastigheten för pulserna från ljuskällorna. Dessa egenskaper gör det svårt att uppnå realtidsavbildning, vilket är en viktig aspekt för tillämpningar inom biomedicin och kirurgi. Trots detta visar teknologier som flera diodlasrar med olika våglängder och Q-Switch-laser baserade på simulerad Raman-spridning lovande resultat för att övervinna dessa problem och förbättra upplösningen vid ablation och bildframställning i blodkärl och lymfsystem.

Multispektral karaktärisering av MMF har blivit ett viktigt område inom utvecklingen av fotoakustiska endoskopiprober. Eftersom ljus vid olika våglängder påverkas olika av modal dispersion, vilket innebär att ljuset sprids olika beroende på den optiska fibrens struktur, är det avgörande att förstå och hantera dessa effekter. För att skapa effektiva endoskopiprober med hög upplösning krävs därför en metod för att kontrollera ljuspropagering genom multimodala fibrer och för att kompensera för de förvrängningar som kan uppstå.

En central aspekt för att förbättra fotoakustisk mikroskopi är att utveckla robusta metoder för att optimera fokusering genom turbid media, dvs. medier som orsakar ljusspridning och absorption, som till exempel biologisk vävnad. För att övervinna dessa hinder har tekniker som baseras på optisk fasinversion och digital mikrospeldisplay (DMD) visat sig lovande. Genom att tillämpa dessa metoder kan ljus propagandas genom turbid media och fokuseras effektivt på önskad plats, vilket gör att man kan uppnå högre bildkvalitet och upplösning även i svåråtkomliga vävnader.

Utvecklingen av dessa teknologier förutsätter emellertid att forskare kan förbättra både de fysikaliska och teknologiska grundvalarna för ljuskontroll i multimodala fibrer. För att uppnå detta har det visat sig vara nödvändigt att använda avancerade optiska algoritmer och optimeringstekniker för att korrigera och kontrollera ljusets fördelning i dessa komplexa system.

Det finns också viktiga överväganden när det gäller praktiska tillämpningar av dessa teknologier. För att verkligen utnyttja potentialen hos MMF i fotoakustisk mikroskopi och endoskopi måste forskare arbeta för att skapa lösningar som är kostnadseffektiva, bärbara och användarvänliga. För närvarande är de flesta system som använder MMF ganska stora, dyra och komplexa, vilket kan begränsa deras användning i kliniska miljöer.

Det är också avgörande att förstå att framsteg inom detta område inte bara handlar om att förbättra bildkvaliteten. Effektiviteten och hastigheten med vilken dessa system kan användas i kliniska applikationer är lika viktig. Att kunna använda dessa avancerade teknologier i realtid och i nära samband med patientbehandlingar är avgörande för deras framgång.

En annan aspekt som måste beaktas är den potentiella effekten av dessa teknologier på patientvård. Genom att möjliggöra mer precisa och snabba diagnoser, kan dessa framsteg inom fotoakustisk mikroskopi bidra till att förbättra kirurgiska och medicinska ingrepp, särskilt i situationer där vävnader är djupt placerade eller svåråtkomliga för traditionella avbildningstekniker. För detta ändamål måste systemen också anpassas för att vara minimalt invasiva och ge detaljerad information snabbt nog för att informera beslut i realtid under procedurer.

Det är också viktigt att påpeka att dessa teknologier ännu inte är helt etablerade för alla typer av tillämpningar. Forskning pågår fortfarande för att övervinna många av de tekniska hinder som finns. Till exempel, utvecklingen av algoritmer för att optimera ljuspropagering genom multimodala fibrer måste fortsätta, och forskare måste också hitta sätt att integrera dessa system på ett effektivt sätt med befintlig medicinsk utrustning.

Att arbeta med dessa komplexa system kräver inte bara teknisk expertis, utan även samarbete mellan olika discipliner, inklusive fysik, biomedicin och ingenjörsvetenskap. För att verkligen dra nytta av MMF-teknologier i fotoakustisk mikroskopi måste forskare och ingenjörer arbeta tillsammans för att skapa system som är både kraftfulla och praktiska för användning i kliniska och forskningssammanhang.

Hur fungerar decentraliserade handelsplattformar och pooler?
Hur Pauli Spinmatriser och Kroneckerprodukt påverkar kvantmekaniska tillstånd
Hur fungerar CO2-absorption och desorption i en aminfälla?