Hur skapar man en effektiv testphantom för avbildningstekniker inom medicinsk ultraljud och fotoakustik?

För att effektivt utvärdera prestandan hos medicinska avbildningstekniker, som till exempel ultraljud (US) och fotoakustik (PAT), krävs användning av specialutvecklade phantomer som efterliknar de akustiska och optiska egenskaperna hos mänsklig vävnad. En sådan testphantom används för att simulera realistiska vävnadsstrukturer och funktioner, vilket är avgörande för att säkerställa att avbildningsteknikerna ger exakta och pålitliga resultat. För att uppnå detta måste designen av phantomen ta hänsyn till både de akustiska och optiska kontrasten mellan olika vävnadstyper, samt deras påverkan på avbildningens skärpa och precision.

I det här fallet utvecklades en cylindrisk två-lagers phantom för att efterlikna människans bröst, där den yttre lagern representerar fettvävnad och den inre lagern glandulär vävnad. Den yttre lagern bestod av polyvinylkloridplastisol (PVCP), som blandades med glasperlor för att ge akustisk spridning, samt titandioxidpulver för att ge optisk spridning. Den inre lagern bestod av en agar-gel med glasperlor och titandioxid, vilket möjliggör realistiska simuleringar av vävnader med olika densiteter och akustiska egenskaper.

För att skapa en realistisk och användbar testphantom behövde designen vara mer komplex än en enkel sammansättning av koncentriska cylindrar med olika ljudhastigheter. Genom att använda en icke-rät linje av trådar och punktabsorbenter i en asymmetrisk arrangemang, kunde en mer varierad uppsättning av mål skapas för avbildningen. Detta gav en omfattande testplattform som inte bara simulerade en enkel vävnad, utan också tillät mätning av olika prestandaindikatorer för imaging-systemet, inklusive upplösning och kontrast.

Vid konstruktionen av phantomen placerades även två bläckcoateda mikrosfärer (100 μm i diameter) för att fungera som fotoakustiska punktkällor. Dessa sattes på specifika platser för att ge riktade absorptionseffekter vid mätningarna. För att ytterligare förbättra phantomens funktionalitet infördes tre kirurgiska suturer genom den yttre och inre vävnadslager för att skapa fler fotoakustiska källor som spänner över båda lagren och ytterligare förbättrar mångsidigheten av phantomen.

För att utföra de akustiska och optiska mätningarna användes en metod som omfattar akustisk dämpning och ljudhastighetsegenskaper hos de testade materialen. Dessa värden, såsom ljudhastighet och akustisk dämpning, mättes för både PVCP och agar, och resultaten jämfördes med de som finns i litteraturen för mänskliga bröstvävnader. Även om ljudhastigheterna var något lägre än de som rapporterats för mänsklig vävnad, var kontrasten mellan de två materialen liknande den som finns mellan fett- och körtelvävnad i bröstet.

För fotoakustiska bildrekonstruktioner använde man k-Wave-programvaran i Matlab®, där tidsåterföring implementerades för att noggrant återge de detekterade signalerna i en tvådimensionell grid. Olika ljudhastighetskartor användes för att säkerställa att variationerna i ljudhastigheten inom phantomen korrekt reflekterades i rekonstruktionen. Genom att göra detta kunde forskarna också studera hur variationer i vävnadens ljudhastighet och optiska egenskaper påverkar kvaliteten på de fotoakustiska bilderna.

För en mer realistisk bild av den inre strukturen var det avgörande att använda en mer detaljerad fantomgeometri. Genom att använda en kombination av linjära trådar, punktabsorbenter och icke-linjära strukturer, skapades en mångfacetterad testphantom som gav användbara resultat för både bildkvalitet och teknisk prestanda. Dessutom visade de akustiska mätningarna av ljudhastighet och dämpning att den valda sammansättningen var tillräckligt noggrann för att efterlikna de fysiologiska förhållandena i bröstvävnad, vilket är avgörande för att säkerställa att avbildningsteknikerna kan ge pålitliga och precisa resultat.

Endtext

Hur kan optoakustisk avbildning (OA) kombineras med andra avbildningstekniker för att förbättra biologiska analyser?

Optoakustisk (OA) avbildning, även känd som fotoakustik, är en framväxande teknik som förenar optisk excitation med ultraljudsdetektion, vilket ger en rik optisk kontrast från levande vävnader med hög spatial och temporal upplösning. Den har fått ökad uppmärksamhet inom den biomedicinska forskningen tack vare sina unika hybrida egenskaper, som möjliggör visualisering av endogena kromoforer samt exogena optiska absorberare, såsom nanopartiklar, organiska färgämnen eller fluorescerande proteiner, med hög känslighet. Till skillnad från optiska mikroskopitekniker kan OA uppnå större penetration i levande vävnader (på centimeter-nivå) genom att utnyttja den låga spridningen hos ultraljudsvågor, vilket gör det möjligt att bryta igenom de hinder som optisk diffusion medför.

En av de stora fördelarna med OA är dess förmåga att skapa bilder på flera skala, från subcellulära organeller till organ med samma optiska kontrast. På mikroskopisk nivå är optoakustisk mikroskopi (OAM) lämplig för högupplöst avbildning på djup som ligger inom den genomsnittliga fria vägen för fotontransport, vilket innebär omkring 1 mm i biologiska vävnader. Å andra sidan kan OA-tomografi lösa den optiska absorptionsfördelningen med ultraljudsupplösning på djup av centimeter-skala där exciteringsljusstrålen är helt diffus.

Trots sin tekniska kapabilitet lider OA av vissa begränsningar, såsom djuppenetration, oundvikliga avvägningar mellan penetration och spatial upplösning samt begränsad känslighet och specificitet. Dessutom kommer OA-kontrasten huvudsakligen från optisk absorption, vilket gör den okänslig för andra kontrastmekanismer relaterade till spridning, fluorescens, akustiska och magnetiska egenskaper hos vävnaden. För att övervinna dessa begränsningar är det vanligt att kombinera flera modaliteter för att få kompletterande information och därmed en mer omfattande förståelse av biologiska processer.

Med tanke på den inneboende hybrida optiska och ultraljudsbaserade naturen hos OA har flertalet multimodala insatser fokuserat på hybridisering med ultraljud (US), fluorescens (FL) och andra optiska avbildningstekniker. Den senaste utvecklingen av multimodal OA har också visat sig vara värdefull i kombination med magnetresonansavbildning (MRI), datortomografi (CT) och positronemissionstomografi (PET) för att utnyttja helt olika kontraster och därmed förbättra anatomisk, funktionell och molekylär information.

För hybridisering med reflektion-ultraljud används ofta linjära och konkava array-prober tillsammans med bredstrålande belysning genom fiberbuntar eller speglar, vilket gör det möjligt att optimera avbildningsprestanda i båda lägena. Genom att superimponera OA- och ultraljudsbilder kan dessa kombinerade bilder ge en mer omfattande bild av både vaskulära strukturer och andra mjukvävnader. Ultraljud har också utnyttjats för rörelsekorrigering och ljusflödeskorrigering i hybrid OA-US avbildning.

I tillägg till de tekniska möjligheterna erbjuder multimodal OA avbildning en unik fördel i kliniska tillämpningar, som att kombinera olika kontrastmekanismer för att skapa en mer detaljerad och exakt avbildning av biologiska processer. Genom att till exempel använda PET och MRI, kan man åstadkomma en mer heltäckande bedömning av både molekylära och strukturella förändringar i vävnader.

För att verkligen förstå värdet av denna teknologi är det viktigt att inte bara fokusera på de tekniska framstegen utan också på de praktiska implikationerna i kliniska sammanhang. Kombinationen av OA med andra avbildningstekniker erbjuder en mångsidig och mer exakt metod för att studera biologiska system, vilket är avgörande för framsteg inom både forskning och klinisk diagnostik. Det handlar om att kunna ge en fullständig bild av en patients tillstånd, från molekylär nivå till organfunktion, vilket gör det möjligt att skräddarsy behandlingar och övervaka deras effektivitet i realtid.

Hur kan PA-ultraljudsvisualisering förbättra minimalt invasiva medicinska ingrepp?

Vanligtvis leds ljus för PA-excitation från ytan av vävnaden. Dock kan ljusets dämpning, inklusive absorption och spridning inom vävnaden, hindra PA-bildens prestanda på djupare nivåer. Detta leder till en minskad synlighet av vävnadsmål och kirurgiska instrument. För att lösa detta problem har man föreslagit att PA-exciterande ljus kan levereras interstitiellt genom att integrera en optisk fiber i de arbetskanaler som finns i interventionella instrument. Piras et al. (2013) föreslog denna teknik för att förbättra visualiseringen av vävnadsprover och nålens framdrivning under procedurer. Tekniken demonstrerades på ett kycklingbröst och visade på en 17% högre kontrast i PA-bilder jämfört med ultraljudsbilder.

Vidare utvecklades en multispektral PA-avbildning av Xia et al. (2015), där ljus med två olika våglängder användes för att skapa högre kontrast och bättre identifiering av vävnader. Detta system visade sig vara särskilt användbart för att vägleda nervblockader och andra kirurgiska ingrepp. Multispektral PA-avbildning har visat sig ha hög vävnadsspecificitet, vilket gör den idealisk för att exakt identifiera och skilja olika vävnadstyper under minimalt invasiva ingrepp. I ett experiment på ett svinförsök där nålen sattes in i brachialplexus, visade systemet god precision vid vägledning av nervblockader.

Den senaste utvecklingen har visat att ljus-emitterande dioder (LED) och laser-dioder (LD) kan vara lovande alternativ till fasta lasrar, då de är billigare, mer portabla och har en likvärdig excitationseffektivitet. Agano et al. (2016) visade att en 20 G Cattelan-nål kunde visualiseras på djupet av 30 mm i ett vävnadsliknande fysiskt medium genom ett LED-baserat PA/US-system. Detta öppnar upp för potentiell klinisk tillämpning i riktiga operationer, där LED-baserade system kan användas för att vägleda nålplacering under minimalt invasiva procedurer.

Katetrar är andra avgörande verktyg inom minimalt invasiva ingrepp, som vid radiofrekvensablation (RFA) och endovaskulära kirurgiska procedurer. Under dessa ingrepp är övervakningen av kateterplaceringen av största vikt, särskilt för att identifiera kateterterminalerna och målen för proceduren. Traditionella bildtekniker som fluoroskopi och ultraljud har använts för att assistera kateterstyrning under operationer, men fluoroskopi med röntgenstrålar är förknippad med strålningsexponering och brist på djupinformation. Å andra sidan, även om ultraljud är strålningsfritt och kan ge detaljerad morfologisk information, lider det av begränsad bildkvalitet och kan ha svårt att differentiera mellan katetrar och omgivande vävnader. En lösning på dessa problem kan vara att använda PA-ultraljudsbildteknik som ett komplement till traditionell ultraljudsbildbehandling för att ge förbättrad synlighet av katetrarna och målen.

PA-tekniken erbjuder en revolutionerande möjlighet att vägleda minimalt invasiva procedurer med mycket högre precision än traditionella bildtekniker. Genom att använda en kombination av PA och ultraljud kan man både förbättra synligheten av kirurgiska instrument och ge viktig information om vävnader på djupare nivåer. Men precis som med alla nya teknologier är det viktigt att förstå de tekniska begränsningarna, särskilt när det gäller ljusets dämpning i vävnader och behovet av mer avancerade metoder för att förbättra bildkvaliteten vid djupare vävnadsskikt.