Hur förbättrar kontrastmedel PA-avbildning och möjliggör detaljerad inblick i biologiska processer?

En av de största begränsningarna inom traditionell optisk avbildning är den relativt låga genomsläppligheten för vävnader. Fotoakustisk avbildning (PAI) övervinner denna utmaning genom att kombinera optiska och akustiska signaler, vilket möjliggör att djupare vävnader kan imageras med hög upplösning. För att förbättra dessa avbildningsmetoder och få mer detaljerade bilder, används kontrastmedel i PAI. Kontrastmedel för PA används för att förbättra både de akustiska och optiska egenskaperna hos vävnader, vilket avsevärt förbättrar förmågan att urskilja viktiga detaljer i bildmaterialet.

Inom biomedicinsk forskning är fördelarna med endogena kontrastmedel obestridliga. Dessa medel förändrar inte vävnadernas mikrostruktur, är icke-toxiska och kräver inte den kostsamma och tidskrävande regulatoriska godkännanden som exogena kontrastmedel gör. En sådan egenskap gör dem särskilt användbara i livslånga studier och långsiktig användning inom kliniska miljöer. Men många sjukdomar och fysiologiska processer saknar inbyggda PA-kontrastmedel. Exempelvis saknar tumörceller ofta naturliga kontraster som kan användas för att identifiera dem i vävnaden.

Endogena kontrastmedel utnyttjar de naturliga absorptions-egenskaperna hos biomolekyler. Varje biomolekyl har en unik absorptionsspektrum, vilket möjliggör att specifika molekyler kan identifieras i vävnaden. Exempelvis kan hemoglobin i blodet, som har en stark absorption vid vissa våglängder, användas för att visualisera blodflöde och mikrocirkulation. På samma sätt kan melanin, som finns i hudceller, ge kontrast för att visualisera strukturer i huden. Dessa naturliga kontraster är avgörande för att förstå och diagnostisera ett brett spektrum av fysiologiska och patologiska tillstånd.

För att effektivt utnyttja PA-kontrastmedel krävs en detaljerad förståelse av hur olika medel interagerar med både ljus och ljudvågor. Exogena kontrastmedel har fördelen av att vara specifika för vissa biomolekyler, vilket gör att de kan användas för att identifiera specifika celltyper eller molekylära markörer. Det är även möjligt att anpassa dessa medel för att målrikta specifika vävnader eller sjukdomstillstånd, vilket ger en mycket högre upplösning och känslighet i avbildningen.

Vid utvecklingen av exogena PA-kontrastmedel har en mängd olika teknologier använts för att skapa förbättrade bildkvaliteter. Goldnanopartiklar, till exempel, har ett mycket högt optiskt absorptionsindex och kan använda deras storlek och form för att ge mycket detaljerade bilder av mikrovaskulatur och tumörformationer. Denna typ av nanomaterial gör det också möjligt att utföra detaljerade molekylära analyser på cellnivå. På samma sätt kan kolnanostrukturer, polymerer och liposomer användas för att leverera läkemedel eller analysera vävnader med förhöjd sensitivitet.

För att ytterligare förbättra PA-avbildning och möjliggöra in vivo-användning, måste kontrastmedlen vara biokompatibla och stabila inom det specifika vävnadsområdet under hela avbildningen. Forskare har därför investerat mycket i att skapa kontrastmedel som är både effektiva för avbildning och säkra för användning i levande organismer. Detta innebär att utvecklingen av nya PA-kontrastmedel innebär inte bara att uppfinna mer effektiva material, utan också att ta hänsyn till faktorer som biologisk nedbrytning, stabilitet och hur dessa ämnen samverkar med kroppens immunförsvar.

För att förbättra den diagnostiska förmågan hos PAI-system, har man dessutom utvecklat system som använder multifokala teknologier och optiska nätverkslösningar för att samla in signaler från flera områden samtidigt. Dessa teknologier tillåter en snabbare och mer detaljerad kartläggning av biologiska processer över hela kroppen, och öppnar nya dörrar för snabb och noggrann diagnostik.

För den som arbetar med PA-system och kontrastmedel är det viktigt att förstå den grundläggande principen bakom både optiska och akustiska signaler och hur dessa kan manipuleras för att uppnå högkvalitativa bilder. Med utvecklingen av nya kontrastmedel och optiska teknologier kommer det även att bli möjligt att genomföra mer avancerade undersökningar och få djupare förståelse för vävnader och sjukdomar på molekylär nivå.

Hur multimodal bildbehandling kan förbättra visualisering av aterosklerotiska plack i blodkärl

Intravaskulär bildbehandling har länge varit ett centralt verktyg för att förstå och diagnostisera ateroskleros, en sjukdom där fettavlagringar och plack byggs upp på blodkärlens väggar. Traditionella tekniker som ultraljud och optisk koherenstomografi (OCT) har sina begränsningar när det gäller att ge tillräcklig information om plackens sammansättning och deras potentiella farlighet. I detta sammanhang har intravaskulär fotoakustisk bildbehandling (IVPA) framstått som en lovande teknik som erbjuder både hög spatial upplösning och djupare penetrationsförmåga.

IVPA-tekniken utnyttjar fotoakustiska signaler som genereras genom att absorbera ljus i vävnader, vilket gör det möjligt att få detaljerad information om både den strukturella och kemiska sammansättningen av aterosklerotiska plack. Denna metod har visat sig vara särskilt användbar vid visualisering av lipidrika områden i placken, som är kända för att vara mer benägna att orsaka hjärt-kärlsjukdomar genom att brista och skapa blodproppar.

För att demonstrera förmågan hos en integrerad multimodal prob för intravaskulär bildbehandling, genomfördes ex-vivo experiment på mänskliga artärer med aterosklerotiska plack. Dessa experiment använde en roterande skanningsteknik med 1200 provpunkter per cirkel och en dragning av steglängden på 60 μm, vilket gav multimodala bilder av artärprover som innehöll lipidrika plack. Proben använde ljus vid 1210 nm, där lipider har en absorptionspeaks, för att excitera fotoakustiska signaler, vilket visade sig ge tydlig bildkontrast för lipidrika områden i placken.

Jämfört med andra bildbehandlingstekniker, såsom OCT och ultraljud (US), visar IVPA en mycket bättre förmåga att identifiera specifika kemiska komponenter i vävnaden. OCT gav en detaljerad bild av kärlväggens ytliga struktur, medan ultraljud gav en mer komplett bild av kärlväggens helhet tack vare dess djupa vävnadsgenomträngning. Genom att kombinera bilder från alla tre tekniker – IVPA, OCT och US – skapades en mer komplett bild av kärlväggens struktur och plackens sammansättning.

För att ytterligare utvärdera probe-integrationen genomfördes fotoakustiska avbildningar av artärprover vid sex olika våglängder, mellan 710 nm och 1210 nm. Resultaten visade att varje våglängd ger information om specifika kemiska komponenter i placken, såsom kollagen och elastin, som har hög ljusabsorption vid lägre våglängder, samt lipider som framträder tydligt vid 1210 nm. Denna multispektrala bildbehandling gör det möjligt att få en mer exakt bedömning av plackens sårbarhet och deras potentiella risk för ruptur.

Tekniskt sett finns det fortfarande utmaningar som hindrar IVPA från att bli en fullt etablerad klinisk metod. En sådan utmaning är bildbehandlingens hastighet, som i experimenten var begränsad av den relativt låga upprepningsfrekvensen för den använda lasern (20 Hz) samt den långsammare tiden som krävs för OCT. Denna begränsning kan leda till artefakter i bilderna om det finns rörelse i proverna under avbildningen. Det finns emellertid möjligheter att anpassa tekniken för att arbeta med snabbare bildbehandling genom att använda högre upprepningsfrekvenser och snabba OCT-källor, vilket skulle öka bildhastigheten avsevärt.

Det är också viktigt att förstå att IVPA, trots sin potential, fortfarande har utmaningar som rör penetrationens djup. Fotoakustiska bilder har utmärkt upplösning nära ytan på vävnaden, men djupare vävnader är svårare att visualisera. Tekniker som utnyttjar längre våglängder, såsom nära infraröd ljus, kan hjälpa till att öka djuppenetrationen. Det finns också potential i att använda signalbehandlingstekniker för att förbättra den djupare avbildningen.

Slutligen är det avgörande att notera att en av de största fördelarna med multimodal bildbehandling är dess förmåga att kombinera funktionell bildbehandling, som kan ge information om plackens kemiska sammansättning, med strukturell bildbehandling, som ger detaljerad information om kärlväggens anatomi. Denna integrerade approach möjliggör en mer omfattande och exakt bedömning av riskerna för hjärt-kärlsjukdom och kan på sikt förbättra diagnos och behandling.

För att sammanfatta är framtiden för IVPA och multimodal bildbehandling ljus, men det finns tekniska och kliniska hinder som måste övervinnas innan denna teknik kan användas i stor skala inom den kliniska världen. De framsteg som görs inom områden som upplösning, bildhastighet, probe-design och djuppenetration kommer att spela en avgörande roll för att forma tekniken och möjliggöra dess breda tillämpning i medicinsk diagnostik och behandling.