Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Laserljus absorberas av specifika molekyler som kallas kromoforer. Dessa kromoforer kan vara naturligt förekommande, som hemoglobin i blodkärl, eller exogena kontrastmedel som är designade för att specifikt rikta in sig på cancermarkörer. När laserenergin absorberas, genomgår kromoforerna en snabb uppvärmning, vilket orsakar lokal och kortvarig termisk expansion inom vävnaden. Denna plötsliga expansion genererar ultraljuds- eller akustiska vågor, ett fenomen som kallas fotoakustisk effekt. Dessa akustiska vågor sprider sig sedan utåt från absorptionspunkten i alla riktningar. Ultraljudsdetektorer, som vanligtvis placeras på vävnadens yta, fångar de resulterande akustiska signalerna. Genom att noggrant mäta ankomsttiden och intensiteten av dessa signaler kan en detaljerad 2D- eller 3D-bild av vävnaden rekonstrueras. Denna rekonstruerade bild representerar den rumsliga fördelningen av den absorberade laserenergin och därmed fördelningen av kromoforerna inom vävnaden.
Fotoakustisk avbildning erbjuder en unik fördel med sin förmåga att tränga djupt i vävnader, vilket överträffar konventionella optiska avbildningstekniker. Genom att kombinera fördelarna med både optisk och ultraljudsavbildning gör det möjligt att visualisera komplexa strukturer inom tumörer och deras mikro-miljöer. Fotoakustisk avbildning erbjuder en exceptionell rumslig upplösning jämfört med metoder som MRI, helkroppsfluorescens eller bioluminescens, vilka ofta används i preklinisk cancerforskning, och möjliggör noggrann undersökning av vävnadsstrukturer på mikroskopisk nivå, vilket är avgörande för att studera egenskaperna hos tumörens mikromiljö.
Förmågan hos fotoakustisk avbildning att vara multiskalig (upplösningen kan varieras genom att använda olika optiska excitationer och akustiska detektionsscheman) gör den till en mångsidig metod för olika prekliniska forskningsapplikationer. Dessutom gör den tidsmässiga avbildningen det möjligt att övervaka dynamiska processer i realtid, som förändringar i tumörens blodflöde, syresättning och svar på behandlingar. Genom att använda vävnadens optiska absorptions egenskaper kan fotoakustisk avbildning också möjliggöra samtidig avbildning av flera kromoforer eller molekyler (t.ex. blodkärl, lipider, kollagen, melanin) inom tumören med samma detektionssystem men olika belysningsvåglängder.
Som ett alternativ till endogena kromoforer kan exogena kontrastmedel som färgämnen, metalliska/inorganiska och organiska nanopartiklar också användas i fotoakustisk avbildning för att samla information om läkemedelsackumulering och tumörbiomarkörer. Denna teknik ger en detaljerad bild av molekylära och funktionella processer i tumören och gör den till ett kraftfullt verktyg i preklinisk cancerforskning. Fotoakustisk avbildning kan ge insikter om tumörens funktionella status och ge värdefull information om behandlingssvar och tumörens mikromiljö.
Nuvarande kommersiella system för preklinisk fotoakustisk avbildning som Vevo LAZR-X (Visualsonics, FujiFilm, Kanada), MSOT In-Vision (iTheraMedical, Tyskland), RSOM (Raster Scan Optoacoustic Mesoscopy, iTheraMedical, Tyskland) och andra, gör det möjligt för forskare att få en bättre förståelse för tumörer och deras mikro-miljöer genom detaljerade 3D-bilder. Dessa system är anpassade till olika behov, inklusive hög upplösning för små tumörer eller djup penetration för tumörer belägna djupare i kroppen. Vevo LAZR-X, till exempel, är ett av de mest använda systemen för att karaktärisera tumörer, övervaka behandlingsprogression och utvärdera läkemedelsleverans. Detta system gör det möjligt att snabbt och effektivt utföra både optisk och ultraljudsavbildning, vilket ökar forskarnas förmåga att förstå komplexa biologiska processer vid cancerforskning.
Förutom att tillhandahålla detaljerad tumöravbildning, gör fotoakustisk avbildning det också möjligt att följa hur behandlingssvar förändras över tid. En av de stora fördelarna med fotoakustisk avbildning är att den gör det möjligt att samtidigt avbilda tumörvävnad och kringliggande strukturer, vilket underlättar en mer omfattande förståelse av hur tumören interagerar med sin mikromiljö. Denna metod kan även avslöja information om hur läkemedel distribueras och hur de påverkar tumörens blodflöde, syresättning och näringstillförsel, vilket kan hjälpa forskare att optimera cancerbehandlingar.
Det är också viktigt att notera att de senaste framstegen inom fotoakustisk avbildning har öppnat nya möjligheter för att utföra realtidsövervakning av behandlingssvar, vilket gör det möjligt att justera behandlingsprotokoll och förbättra prognoser för patienter. Den kontinuerliga utvecklingen av fotoakustiska system kommer med största sannolikhet att göra dessa teknologier ännu mer tillgängliga och effektiva, vilket i sin tur kommer att stärka forskningen kring tumörmikromiljön och förbättra diagnostiska och terapeutiska strategier inom cancerområdet.
Hur kan kvantitativ fotoakustisk tomografi förbättras genom användning av djupinlärning och rekonstruktionstekniker?
Kvantitativ fotoakustisk tomografi (PAT) är en kraftfull teknik som kombinerar de höga upplösningarna hos ultraljud och de detaljrika informationerna om vävnadens optiska egenskaper som kan erhållas genom fotoakustik. Den används för att skapa bilder av vävnader baserat på hur de absorberar och sprider ljus, vilket är särskilt användbart för medicinska och biologiska tillämpningar. Trots de tekniska framstegen finns det flera utmaningar som måste övervinnas för att göra dessa teknologier mer tillförlitliga och effektiva.
En viktig aspekt i utvecklingen av PAT är den rekonstruktionsmetod som används för att omvandla de insamlade signalerna till användbar bildinformation. Tidigare metoder baserade på traditionell bildrekonstruktion, såsom back-projection och algebraiska metoder, har visat sig vara effektiva under vissa förhållanden men lider ofta av problem med låg signal-kontrollförhållande eller dataförlust. Dessa problem kan leda till osäkra eller felaktiga resultat, vilket gör det nödvändigt att utveckla nya, mer avancerade tekniker.
En potentiell lösning på dessa problem ligger i användningen av djupinlärning, vilket har visat sig ha stor potential för att förbättra rekonstruktionens noggrannhet och effektivitet. Genom att använda träningsdata som innefattar både syntetiska och verkliga fotoakustiska bilder kan modeller tränas för att känna igen och korrigera komplexa mönster och artefakter som traditionella metoder inte alltid kan hantera. Detta har lett till framsteg inom området där nya algoritmer och nätverksarkitekturer kan rekonstruera bilder snabbare och med högre precision.
Flera studier har visat hur dessa tekniker kan appliceras för att åstadkomma mer exakta uppskattningar av optiska parametrar som absorption och spridning. Till exempel har metoder som involverar Bayesian inferens, där man tar hänsyn till osäkerheter i mätningarna, blivit allt vanligare. Genom att använda dessa probabilistiska metoder kan man skapa modeller som inte bara levererar en bild, utan också kvantifierar osäkerheterna i de uppskattade värdena.
En annan viktig aspekt är användningen av multispektral fotoakustisk tomografi (MSOT), där olika ljuskällor används för att få djupare insikter i vävnadens optiska egenskaper. MSOT kan ge mer detaljerade bilder och öka känsligheten för molekylär detektering. Detta är av stor betydelse i medicinska tillämpningar som cancerdiagnostik, där förmågan att upptäcka små förändringar i vävnadsstruktur och funktion är avgörande.
Vidare kan tekniken förbättras genom att kombinera fotoakustisk tomografi med andra avbildningstekniker som ultraljud eller magnetisk resonansavbildning (MRI), vilket möjliggör bättre simultanregistrering och bättre diagnostisk information. Genom att integrera dessa teknologier kan man dra nytta av deras respektive styrkor och skapa mer robusta och precisa diagnostiska verktyg.
En annan intressant utveckling är införandet av variationala metoder, som är särskilt användbara när det gäller att hantera det begränsade synfältet och den bristande upplösningen som ofta förekommer i PAT. Dessa metoder gör det möjligt att formulera rekonstruktionsproblem som optimeringsproblem, vilket kan lösas med moderna tekniker för numerisk analys.
För att ytterligare förbättra bildkvaliteten och kvantitativa uppskattningar, är det också avgörande att utveckla metoder för att hantera osäkerheter som orsakas av faktorer som ljudhastighetvariationer i vävnader och fel i sensorlokalisering. Detta kan göras genom att använda metoder som tar hänsyn till dessa osäkerheter i rekonstruktionsmodellerna, vilket gör att de slutliga bilderna blir mer exakta och pålitliga för klinisk användning.
Sammanfattningsvis kan de senaste framstegen inom kvantitativ fotoakustisk tomografi, särskilt de som involverar användning av djupinlärning och variationala metoder, avsevärt förbättra rekonstruktionskvaliteten och möjliggöra mer exakta och tillförlitliga bilder. Det är viktigt att förstå att medan dessa teknologier visar stor potential, så är de fortfarande under utveckling och kräver fortsatt forskning för att kunna appliceras på bredare kliniska och forskningsmässiga områden. För att fullt ut förstå deras potential behöver vi beakta de tekniska och fysiologiska utmaningar som fortfarande kvarstår.