Hur sprids expansions- och rotationsvågor i porösa medier mättade med vätska?

I porösa medier som är mättade med vätska kan det uppträda flera typer av vågor beroende på materialets egenskaper och de fysiska interaktionerna mellan fast ämne och vätska. Bland dessa är de mest framträdande P-vågor och S-vågor, som kan delas upp ytterligare i olika kategorier beroende på deras hastighet och hur de propagerar genom materialet. P-vågorna, som kan vara antingen snabba eller långsamma, representerar rörelser i det fasta och vätskefyllda mediet, medan S-vågorna relaterar till skjuvdeformationer i samma medium. Här behandlas specifikt de fenomen som uppstår när expansions- och rotationsvågor fortplantar sig genom ett sådant mättat poröst medium.

Expansionsvågor i porösa medier kan delas upp i två huvudtyper: de snabba och de långsamma. De snabba vågorna tenderar att röra sig snabbare genom det porösa materialet, medan de långsamma har en lägre hastighet och reagerar mer på förändringar i vätskefasens dynamik. Dessa två vågor har en stark koppling till varandra genom materialets biotiska elasticitetskoefficienter, som bestämmer deras förmåga att spridas genom det porösa materialet. En viktig aspekt är att även om dessa vågor sprids självständigt i teorin, påverkas deras rörelser av de specifika materialegenskaper som definierar porositeten och vätskefyllningen i mediet.

En av de centrala aspekterna vid analysen av expansionsvågor är att man måste ta hänsyn till de elastiska koefficienterna för mediet, som Biot’s koefficienter P, Q och R. Dessa koefficienter definierar hur lätt eller svårt materialet är att deformeras under tryck och kan användas för att förutsäga hur vågor kommer att bete sig vid olika frekvenser. När vågor fortplantar sig genom det mättade porösa materialet, bildas ett komplext samspel mellan den fasta strukturen och vätskan i porerna, vilket leder till distinkta hastigheter för varje typ av våg. För expansionsvågor gäller att de långsammare P-vågorna påverkas av vätskans rörelse i porerna, medan de snabbare P-vågorna är mer beroende av den fasta fasen.

Rotationsvågor, å andra sidan, är ett annat viktigt fenomen i dessa medier. Dessa vågor är relaterade till den roterande rörelsen av vätskan och den fasta fasen inom porerna. Rotationsvågor har en specifik koppling till skjuvdeformationer i materialet och deras hastighet är intimt förknippad med mediets elasticitet. Här kan man observera en intressant egenskap: rotationsvågorna i vätskan är direkt relaterade till rotationsvågorna i den fasta fasen genom en massa-koppling. Det innebär att när rotationsvågor propagerar genom ett mättat poröst medium, överförs deras energi effektivt mellan vätska och fast ämne, vilket leder till att båda typerna av vågor rör sig med samma hastighet.

När vi sedan betraktar dessa fenomen i högfrekventa ljudvågor, måste vi också beakta hur vätskans viskositet påverkar förluster i energi. Vid höga frekvenser blir det allt mer relevant att ta hänsyn till viskositeten hos vätskan i porerna, eftersom vätskan inte längre kan följa det laminära flödet som beskrivs av Poiseuille’s lag. Detta medför en korrigering i den ursprungliga Biot’s teori om vågpropagation, där den mekaniska dämpningen som orsakas av vätske-solid interaktioner måste inkluderas i modellen.

Vid högre frekvenser introduceras energi-dissipation som en viktig faktor, särskilt för rotationsvågorna och expansionsvågorna. Det är här som de viskösa förlusterna, beroende på både vätskans och mediets porositet, kommer in i bilden. Dämpningen av dessa vågor leder till en minskning av deras amplitud när de fortplantar sig genom mediet, och det gör att vågorna sakta förlorar energi med avståndet. Denna dämpning är särskilt tydlig för rotationsvågorna, där de komplexa förhållandena mellan vätska och fast fas innebär att både amplituden och hastigheten för dessa vågor påverkas av viskositetsrelaterade förluster.

För att sammanfatta, både expansionsvågorna och rotationsvågorna i porösa medier är beroende av en komplex uppsättning parametrar, från de biotiska elasticitetskoefficienterna till vätskans viskositet och hur dessa faktorer samverkar vid högre frekvenser. Förståelsen av dessa interaktioner är avgörande för att kunna förutsäga hur ljudvågor och andra elastiska vågor kommer att bete sig i porösa medier, vilket är särskilt relevant för tillämpningar inom geofysik, akustik och materialvetenskap.

Hur förbättrar optisk rensning och reflektion i UV-PAM-imaging?

I de senaste åren har det skett betydande framsteg inom användningen av fotoakustisk mikroskopi (PAM) för att studera biologiska vävnader på mikroskopisk nivå. En av de mest lovande metoderna för att förbättra kvaliteten på dessa bilder är tillämpningen av optisk rensning, vilket gör det möjligt att skapa högupplösta bilder av vävnader som annars skulle vara svåra att analysera. En teknik som har visat sig vara särskilt effektiv är CUBIC (clear, unobstructed brain/body imaging cocktails and computational analysis), som avlägsnar lipider och pigment från vävnader, vilket annars absorberar UV-ljus och minskar kontrasten i bilder.

Vid användning av UV-PAM innan rensning är bakgrundsbruset från lipider och pigment ofta för högt, vilket gör det svårt att särskilja cellkärnorna från bakgrunden. Efter att vävnaden har rensats uppträder betydande förbättringar i kontrast, vilket gör det möjligt att tydligare identifiera de enskilda cellkärnorna. Enligt studier förbättras kontrast-till-brusförhållandet med upp till tre gånger efter rensning. Denna metod gör det inte bara möjligt att förbättra bildkvaliteten utan även att öka den möjliga bilddjupet, vilket är avgörande för att observera cellstrukturer på flera djupnivåer.

För att illustrera detta, jämför en mus hjärnvävnad som avbildas med UV-PAM innan och efter rensning. Bilderna som erhållits från den rensade vävnaden avslöjar betydligt mer detaljer om cellkärnorna på olika djup, vilket är nästan omöjligt att uppnå utan denna förbättringsteknik. Detta gör det möjligt att bättre studera biologiska strukturer och funktioner, vilket är av stort värde inom neurovetenskap och andra biomedicinska fält.

Vidare utveckling av PAM-tekniken har också lett till en förbättring i upplösning, särskilt i samband med användning av UV-laserljus. Traditionellt lider UV-PAM av anisotropi i upplösningen, där den laterala upplösningen är mycket bättre än den axiala, på grund av de optiska och akustiska egenskaperna hos systemet. För att åtgärda detta problem har dual-view UV-PAM (DV-UV-PAM) utvecklats, som använder två UV-strålar som fokuseras på provet från ortogonala vinklar för att förbättra upplösningen och uppnå bättre isotropi. Genom att kombinera bilder från

Hur kan fotoakustisk avbildning förbättra synligheten av nålar vid kirurgiska ingrepp?

Intraoperativ bildbehandling spelar en avgörande roll för att ge realtidsfeedback på nålplacering och anatomisk information om vävnader. Ultraljud (US) är en av de mest använda teknikerna för detta syfte, men att exakt identifiera en nål, särskilt dess spets och skaft, med ultraljud är fortfarande en utmaning på grund av nålens dåliga kontrast i ultraljudsbilder. Det är möjligt att visualisera nålens spets genom ultraljud genom att utnyttja den oregelbundna ytan på dess fas, vilket reflekterar ultraljudsvågor. Men att identifiera nålens skaft är mer komplicerat på grund av dess lilla dimension. Ytterligare artefakter, som sidolobbar och stråldistribution, kan dessutom förvränga nålens utseende.

För tekniken med in-plane visualisering beror synligheten av nålen, särskilt skaftet, i hög grad på dess infogningsvinkel i förhållande till ultraljudssondens position. När denna vinkel ökar, minskar synligheten avsevärt. Detta beror på att en stor del av ultraljudsvågorna, som reflekteras på nålens yta, rör sig bort från sonden på grund av spekulär reflektion. Andra artefakter, såsom "återverkan" där flera parallella linjer syns under skaftet, kan ytterligare försvåra vävnadsbedömning.

Vid out-of-plane tekniken kan det segment av nålens skaft som korsar ultraljudsplanet tolkas som nålens spets, vilket innebär att det kan ske felaktig tolkning av nålspetsens position. Denna felaktiga tolkning kan leda till allvarliga komplikationer, såsom stroke. För att förbättra synligheten av kliniska metallnålar med ultraljud har olika metoder föreslagits, varav en av de mest använda är användningen av ekogena nålar. Dessa nålar har speciellt utformade ytor med ökad grovhet, vilket ökar ultraljudets spridning och därmed förbättrar synligheten, även vid branta infogningsvinklar. Dock är dessa ekogena nålar ofta dyra och kan fortfarande vara känsliga för reflektioner och artefakter.

En annan lovande metod som har undersökts för att förbättra synligheten av nålspetsen är ultraljuds-tracking. Denna teknik involverar användningen av en extern ultraljudssond som antingen skickar ultraljudsvågor från nålens spets som detekteras av sonden, eller använder en detektor vid nålens spets som tar emot ultraljud från en extern probe. Trots fördelarna med denna metod är synligheten av nålens skaft fortfarande en stor utmaning, vilket är avgörande för exakt nålmanipulation, särskilt vid branta inläggningar.

Ett annat alternativ som har väckt stort intresse är fotoakustisk (PA) avbildning, en metod som först undersöktes av Emelianovs grupp. Fotoakustisk avbildning använder laserljus och ultraljud för att visualisera metallnålar i vävnad. Genom att kombinera ett ultraljudssystem med en Nd:YAG-laser kunde de framgångsrikt visualisera nålar i vävnad ex vivo. När det gäller PA avbildning är det tydligt att den ger en högre signal-till-brusförhållande (SNR) jämfört med traditionell ultraljud, vilket gör den mer effektiv för att visualisera nålspetsen, särskilt vid branta infogningsvinklar där ultraljudsbilder ofta blir oskarpa. Dessutom är PA avbildning mindre känslig för ändrade infogningsvinklar, vilket gör den till en potentiellt mer pålitlig metod för exakt nålplacering.

Flera forskargrupper har studerat PA avbildning för att guida olika interventioner, inklusive nålbiopsier. Till exempel visade en studie från 2010 att PA avbildning kan förbättra visualiseringen av nålen under vägledning av en sentinellymfknutebiopsi (SLN) vid bröstcancerdiagnostik. I denna metod injiceras ett spårämne som ICG (indocyaningrönt) nära tumören, vilket tas upp av den omgivande SLN. PA avbildning visade en signifikant förbättring i kontrasten (8,5 jämfört med 1,2 för ultraljud) och gav en tydligare bild av nålspetsen, vilket är avgörande för att kunna utföra exakta biopsier.

Men även PA avbildning har sina begränsningar. Vid 2D avbildning kan nålens synlighet påverkas om den inte är korrekt inriktad i förhållande till avbildningsplanet. För att förbättra detta har vissa forskare undersökt möjligheten att visualisera nålen i 3D. Wang et al. utvidgade 2D PA avbildning till 3D för SLN biopsi, men den temporala upplösningen för 3D-visualisering av nålar var inte tillräcklig för realtidsstyrning under ingrepp. De rapporterade en maximal bildhastighet på cirka 4 sekunder per volym.

En annan förbättring av PA avbildning är realtidsguidning av interventioner. Ett integrerat PA/US-system utvecklades av Wei et al. 2015 för att guida nålinläggningar i realtid, och visade sig vara framgångsrikt för att visualisera nålar i vävnad ex vivo med en SNR på minst 35 dB på ett djup av upp till 1,2 cm. Även när PA avbildningen kombineras med spektral analys och användning av flera våglängder, kan visualiseringen förbättras ytterligare, vilket gör det möjligt att följa nålens rörelse mer exakt.

Fotoakustisk avbildning kan även ha potential att förbättra kliniska procedurer som cellinjektioner, där noggrann nålplacering är avgörande. En studie från 2018 visade att PA avbildning hjälpte till att visualisera en spinalnål och distributionen av celler i ryggraden hos råttor, vilket är viktigt för att optimera effektiva stamcellsterapier.

Vid kirurgiska ingrepp är den precisa positioneringen av nålar av yttersta vikt. Förbättrad visualisering genom PA och US samverkan kan ge kirurger det visuella stöd de behöver för att undvika komplikationer och för att genomföra mindre invasiva, mer exakta procedurer. Dessa teknologier kommer sannolikt att fortsätta att utvecklas, vilket kommer att göra interventioner både säkrare och mer effektiva för patienter i framtiden.

Hur fungerar fotoakustisk datortomografi (PACT) och vilka är dess tillämpningar?

Fotoakustisk datortomografi (PACT) är en relativt ny metod inom medicinsk avbildning som kombinerar fördelarna med optisk och ultraljudsbaserad bildteknik för att erbjuda högupplösta bilder på djupet i biologisk vävnad. Tekniken bygger på fotoakustiska effekter, som först upptäcktes av Alexander Graham Bell 1880 under experiment med ljus och ljudvågor. Sedan dess har utvecklingen av högenergiska pulserande lasersystem, känsliga ultraljudssensorer och avancerad databehandling möjliggjort PACT att bli ett viktigt verktyg för både pre-klinisk och klinisk bildbehandling.

Grundprincipen för PACT bygger på att när vävnad belyses med en snabb pulserande ljuskälla (t.ex. en laser), absorberas ljuset av olika kromoforer i vävnaden – som blod, melanin och vatten. Denna absorption leder till en lokal temperaturökning, vilket orsakar en termoelastisk expansion och genererar tryckvågor i vävnaden, så kallade fotoakustiska (PA) vågor. Dessa tryckvågor sprids genom vävnaden och kan detekteras av ultraljudsgivare som fångar upp signalerna och omvandlar dem till bilder som visar både strukturen och funktionen hos det inre vävnadsområdet.

Det unika med PACT är dess förmåga att kombinera fördelarna med optiska avbildningstekniker, som erbjuder mycket hög upplösning, med de djupare penetreringsmöjligheterna hos ultraljud. Vanliga optiska metoder, såsom fluorescensmikroskopi och laserbaserad speckle-avbildning, lider av begränsad djuppenetration (vanligtvis upp till 1–10 mm), medan ultraljud kan nå betydligt djupare vävnader men med lägre upplösning. PACT övervinner dessa begränsningar genom att kombinera båda teknikerna, vilket gör det möjligt att få högupplösta bilder på djupare vävnader – upp till flera centimeter.

PACT-system finns i olika varianter beroende på vilken typ av ultraljudsgivare som används. De vanligaste inkluderar enskilda elementgivare, kurvade arraygivare, linjära arraygivare, plana matrisgivare och sfäriska matrisgivare. Valet av givare påverkar bildkvaliteten och upplösningen samt hur systemet kan användas för olika typer av avbildning – från små djur i pre-kliniska studier till mänskliga patienter i kliniska miljöer.

När det gäller tillämpningar används PACT för att undersöka och diagnostisera en rad medicinska tillstånd. Inom pre-klinisk forskning möjliggör det detaljerade avbildningar av små djur, vilket är avgörande för att förstå sjukdomar som cancer, kardiovaskulära sjukdomar och neurodegenerativa tillstånd. Tekniken ger forskare möjlighet att observera blodflöde, syreupptagning och andra fysiologiska processer i realtid, vilket är avgörande för att utveckla och testa nya terapier.

Inom kliniska tillämpningar har PACT potentialen att revolutionera diagnostik och behandling. Eftersom fotoakustik kombinerar ultraljudets djupa penetrering med optikens höga upplösning, kan tekniken erbjuda detaljerade bilder av både tumörer och blodkärl i djupare vävnader, utan att använda joniserande strålning, vilket är en stor fördel jämfört med traditionell röntgen- eller datortomografi (CT). Tekniken kan också användas för att övervaka terapireaktioner och följa upp behandlingar på ett icke-invasivt sätt.

Utvecklingen av PACT är fortfarande pågående, och många forskare arbetar med att förbättra systemens upplösning, hastighet och användarvänlighet. Ett område av särskild forskning är att förbättra djupet på de fotoakustiska bilderna utan att förlora upplösningen, samt att integrera PACT med andra bildbehandlingstekniker för att få mer omfattande diagnosinformation.

För att den fotoakustiska signalen ska genereras effektivt måste ljusexponeringen vara i ett tillstånd av både termisk och stressmässig inneslutning. Vid termisk inneslutning är ljusimpulsen mycket kortare än den termiska avslappningstiden i vävnaden, vilket gör att den energi som absorberas av vävnaden stannar kvar i det uppvärmda området under hela laserpulsens varaktighet. Detsamma gäller för stressavslappning, där tryckvågorna som uppstår i vävnaden inte hinner sprida sig innan laserimpulsen är över.

Det är också viktigt att förstå att PACT inte är en universallösning för alla typer av bildbehandling. Medan det erbjuder betydande fördelar när det gäller upplösning och djuppenetration, är det fortfarande beroende av specifika teknologiska förutsättningar, som kvaliteten på ljuskällan, detektionssystemet och bearbetningen av de bilddata som samlas in. Dessutom kräver tekniken noggrant kalibrerade system och expertkunskap för att få ut maximalt av dess potential, vilket kan innebära en viss komplexitet i användningen, särskilt i kliniska miljöer.

Hur kan fotoakustisk avbildning revolutionera medicinsk diagnostik?

Fotoakustisk avbildning, även känd som optoakustisk bildbehandling, är en teknik som nyligen fått stort intresse inom medicinsk forskning och klinisk tillämpning. Genom att kombinera fördelarna med optisk och ultraljudsbaserad bildbehandling möjliggör fotoakustisk avbildning högupplösta bilder av biologiska vävnader på en djupare nivå än traditionella metoder. Tekniken är särskilt användbar för att studera molekylära och funktionella aspekter av kroppens vävnader, vilket öppnar upp nya möjligheter för tidig diagnos och behandling av olika sjukdomar.

En av de mest lovande tillämpningarna av fotoakustisk avbildning är inom kardiologi. Flera studier har visat att denna metod kan ge detaljerade bilder av aterosklerotiska plack i kranskärlen, vilket är avgörande för att förstå och behandla hjärt-kärlsjukdomar. Fotoakustisk avbildning gör det möjligt att visualisera fettinlagringar och syrehalten i vävnader, vilket kan ge insikter i plackens karaktär och risk för ruptur, ett kritiskt skede i utvecklingen av hjärtinfarkt. Till exempel visade en studie att intravasal fotoakustisk bildbehandling framgångsrikt kunde identifiera och karakterisera aterosklerotiska plack i mänskliga kranskärl, vilket erbjuder en icke-invasiv metod för att övervaka sjukdomens progression.

Inom neurovetenskap har fotoakustisk avbildning visat sig vara användbar för att undersöka hjärnans funktion i realtid. Forskare har utvecklat högupplösta, etikettfria fotoakustiska mikroskop för att avbilda hjärnans aktivitet hos levande möss, vilket har lett till bättre förståelse av hjärnans cirkulation och syresättning. Denna metod gör det möjligt att studera hjärnans funktion på en mycket högre nivå än tidigare genom att detektera och kartlägga blodflöde och syreupptag i realtid.

Inom onkologi har fotoakustisk avbildning också gjort framsteg, där den används för att visualisera tumörer och metastaser. Forskning har visat att tekniken kan hjälpa till att identifiera tumörer med högre precision än traditionella bildbehandlingstekniker, vilket gör den till ett värdefullt verktyg för tidig upptäckt och övervakning av cancerprogression. En intressant tillämpning är användningen av fotoakustisk avbildning för att övervaka lymfkörtlar vid tumörspridning, där denna metod kan bidra till att identifiera sentinellymfknutor och därmed optimera kirurgiska ingrepp.

För att ytterligare förbättra bildkvaliteten och tillförlitligheten har forskare utvecklat olika kontrastmedel och nanomaterial som kan användas för fotoakustisk avbildning. Bland de mest lovande materialen finns guldnanopartiklar och koldioxidnanorör, vilka har visat sig vara exceptionellt bra på att förstärka fotoakustiska signaler och möjliggöra högupplösta bilder av tumörer och andra patologiska förändringar. En annan innovativ utveckling är användningen av porfyrinbaserade nanopartiklar, som kan ge både fototermisk och fotoakustisk kontrast, vilket gör dem användbara för både diagnostik och terapi.

Utvecklingen av fotoakustisk avbildning har också lett till framsteg inom funktionell bildbehandling, där forskare kan studera dynamiska förändringar i vävnader och organ i realtid. Till exempel har tekniken använts för att undersöka syrehalten i ledvätska vid reumatoid artrit, vilket kan ge viktig information om sjukdomens aktivitet och progression. På liknande sätt har fotoakustisk avbildning använts för att övervaka ischemiska slag och andra akuta tillstånd, där tidig upptäckt och intervention kan vara avgörande för patientens prognos.

En annan spännande utveckling inom fotoakustisk avbildning är integrationen av maskininlärning och djupinlärningstekniker, som gör det möjligt att analysera de komplexa bilddata som genereras av tekniken. Genom att använda avancerade algoritmer kan man förbättra bildens upplösning och kontrast, vilket gör det möjligt att upptäcka mycket små patologiska förändringar som tidigare var svåra att visualisera.

Det är också viktigt att förstå de tekniska och praktiska utmaningarna som fortfarande finns inom fotoakustisk avbildning. En av de största utmaningarna är att uppnå tillräcklig upplösning vid djupare vävnadsnivåer, eftersom ultraljudssignaler snabbt förlorar sin styrka när de passerar genom vävnad. Det krävs fortsatt forskning för att utveckla bättre tekniker och kontrastmedel som kan öka bildkvaliteten, särskilt för djupt liggande vävnader som tumörer eller blodkärl.

Fotoakustisk avbildning är en lovande teknik som kan förändra sättet vi diagnostiserar och behandlar sjukdomar. Den erbjuder en icke-invasiv, högupplöst metod för att avbilda biologiska vävnader och ge insikter om sjukdomars utveckling på ett sätt som tidigare var omöjligt. Med fortsatt forskning och teknologiska framsteg har denna metod potential att bli en central del av framtidens medicinska diagnostik och behandling.