Hur påverkar ljusabsorption och spridning fotoakustiska signaler i vävnad?

Photon-diffusionsapproximationen kan användas för att beskriva fördelningen av fotonflöde i material där ljuset sprids i hög grad men där absorptionen är relativt låg. Detta kan vara användbart för att modellera fotonernas tidsbeteende när de passerar genom ett medium med specifika optiska egenskaper, till exempel i vävnad där ljus sprids och absorberas på olika sätt beroende på de lokala egenskaperna. Diffusionsekvationen, som i fysiken har en absorptionsterm, tillåter en exakt modell för hur fotonernas flöde förändras över tid och rum.

Fotonflödeshastigheten kan beräknas genom en matematisk formel som innefattar en diffusionskoefficient, vilken i sin tur beror på spridningens genomsnittliga kosinus av vinkeln och den reducerade spridningskoefficienten. Detta kan ge oss en förståelse för hur ljusinteraktionen med vävnad ser ut i praktiken, särskilt när det gäller ljusets förmåga att penetrera och spridas i biologiska material, som är relevant i fotoakustisk bildbehandling.

När man använder denna metod i biologiska vävnader, särskilt i infraröd transillumination av vävnad, har studier visat att det finns specifika intervall för absorptionskoefficienter (μa) där modellen är mest exakt. Men när spridningseffekten inte dominerar kan den diffraktiva approximationen ge mindre precisa resultat, vilket bör beaktas när man planerar experiment eller tillämpningar av fotoakustisk bildbehandling.

När en laserpuls träffar vävnad, omvandlas ljusenergin snabbt till värme genom den termoakustiska effekten, vilket leder till en snabb lokal temperaturhöjning. Denna temperaturhöjning orsakar vävnadens expansion följt av en skarp sammandragning, vilket genererar ljudtrycksvågor som sedan kan mätas för att återge en bild av den inre vävnadens struktur. Här kommer akustiska modeller till sin rätt, och genom att använda ekvationer som beskriver det akustiska trycket, kan vi modellera och förstå hur dessa vågor rör sig genom biologiska vävnader.

En viktig aspekt av detta är hur den fotoakustiska signalen genereras. Eftersom ljuspulserna är mycket korta (ns), kan tryckökningen antas ske omedelbart, utan att vätsketätheten hinner förändras. Detta innebär att den initiala tryckförändringen sker nästan instanterat, och värmeabsorptionen från ljusenergin kan beskrivas som en funktion av energiöverföring i vävnaden.

För att förstå fotoakustiska signaler i vävnad är det också avgörande att beakta hur excitationens pulsbredd påverkar signalstyrkan och upplösningen. En kortare puls är mer effektiv för att generera fotoakustiska signaler än en längre, eftersom den snabbare tryckökningen leder till mer koncentrerade akustiska vågor. Men när pulsbredden överstiger en viss gräns, där stresskonfinement inte längre är tillräcklig, minskar effektiviteten i signalproduktionen.

Fotoakustiska signaler beror också på den optiska absorptionen i vävnaden, vilket innebär att det inte bara är viktigt att förstå ljusets interaktion med vävnad på en grundläggande nivå, utan också att anpassa pulsens varaktighet för att optimera upplösning och bilddjup. Bildteknik som fotoakustisk tomografi (PACT) och fotoakustisk mikroskopi (PAM) använder denna kunskap för att skapa bilder med hög upplösning på både makroskopisk och mikroskopisk nivå, vilket gör det möjligt att studera biologiska fenomen på flera olika längdskalor.

När vi tänker på vävnadens optiska egenskaper och hur ljuset interagerar med den, är det också viktigt att förstå att spridningen av ljus spelar en avgörande roll för hur djupt ljuset kan tränga in i vävnaden. Om spridningen är för stark kan signalen snabbt dämpas, vilket gör det svårt att nå djupare vävnadslagren. Det är här den fotoniska diffusionsmodellen hjälper till att ge en kvantitativ uppskattning av ljusets förmåga att penetrera och interagera med vävnaden.

När man designar system för fotoakustisk bildbehandling är det därför viktigt att ta hänsyn till de optiska och akustiska parametrarna på ett holistiskt sätt. Både den fotoniska diffusionsmodellen och den akustiska vågmodelleringen är avgörande för att förstå och förbättra fotoakustisk avbildning i vävnader, och genom att optimera pulslängd, energi och andra experimentella parametrar kan vi maximera bildkvaliteten och tillförlitligheten i de resulterande bilderna.

Hur PAM-system förbättrar bildbehandling och upptäckt: Teknologier och tillämpningar inom biomedicin

Pulsad akustisk mikroskopi (PAM) har etablerat sig som ett kraftfullt verktyg inom bildbehandling och diagnostik, särskilt när det gäller att övervinna de tekniska begränsningar som finns i traditionella bildbehandlingstekniker. PAM använder en kombination av optisk belysning och akustisk detektion för att skapa högupplösta bilder av biologiska vävnader, och denna metod gör det möjligt att uppnå både hög lateral upplösning och djup penetration i vävnader. För att uppnå maximal detektionssensitivitet krävs att PAM optimerar både den optiska belysningen och den akustiska detektionen, beroende på de specifika krav som ställs på bildkvaliteten.

I PAM-system finns två huvudsakliga kategorier: akustisk upplösning (AR-PAM) och optisk upplösning (OR-PAM). Dessa två typer av system har olika egenskaper när det gäller lateral upplösning och penetrationsdjup. AR-PAM är mer lämplig för att visualisera större och djupare mål, medan OR-PAM är användbar för att skapa bilder med högre upplösning på ytan. Det är också möjligt att kombinera dessa två system i vissa fall för att skapa ett dual-belysningssystem som drar nytta av båda teknologiernas fördelar.

En viktig aspekt av PAM är dess förmåga att exakt kombinera ljus och akustiska vågor vid en ko-fokal punkt. Denna teknik har utvecklats genom flera innovativa systemkonfigurationer, där man försöker maximera känsligheten och upplösningen. Olika metoder för att kombinera ljus och akustiska vågor inkluderar axel-alignment och olika typer av spegel- och linskombinationer. Varje metod har sina egna fördelar och nackdelar. Till exempel är den off-axiala metoden enkel att implementera, men den ger begränsad känslighet och synfält, vilket gör den mindre lämplig för AR-PAM-system. Å andra sidan har metoder som använder koniska linser eller spegelbaserade objektiv ofta fördelar i signal-till-brus-förhållanden och lateral upplösning, men de har också sina egna begränsningar i termer av djuppenetration.

Den lateral upplösningen i PAM-system bestäms av flera faktorer. För AR-PAM beror det på den akustiska vågens egenskaper, som frekvens och hastighet, medan för OR-PAM beror upplösningen på den optiska fokuspunkten, där användningen av ett fokuserat ljus ger högre lateral upplösning. Dock finns det alltid en avvägning mellan upplösning och penetrationsdjup. I AR-PAM-system, till exempel, förbättrar ett högfrekvent ultraljuds-transducer den laterala upplösningen, men det kan minska bildens djup. I OR-PAM-system ger ett högt optiskt numeriskt öppningsmått (NA) bättre upplösning men också en begränsad penetrationsdjup.

För att förbättra spatial upplösning och penetrationsdjup, har nya generationer av PAM-system utvecklats. Ett exempel är PI-PAM (photo-imprint PAM), som använder en dubbel-exciteringsteknik för att förbättra upplösningen ytterligare, särskilt i det laterala planet. Denna metod minskar effekten av fotobleking, vilket annars skulle kunna påverka amplituden på PA-signalen och försämra bildkvaliteten. Genom att använda denna teknik har det blivit möjligt att nå en upplösning på upp till 120 nm. Dessutom finns det system som använder bakterie-fytochrome som BphP1, som erbjuder subdiffraktionsupplösning och har potential att skapa högupplösta bilder för biologiska tillämpningar.

Ytterligare framsteg har gjorts genom utveckling av GR-PAM (Grueneisen relaxation PAM), en teknik som förbättrar axial upplösning baserat på icke-linjära PA-signalmoduleringar. Denna metod kan visualisera hemoglobin med en axial upplösning som har förbättrats dramatiskt från 45 μm till 2,3 μm. GR-PAM har även visat sig vara användbar i en rad andra biologiska bildbehandlingstillämpningar, vilket gör det till ett kraftfullt verktyg inom medicinsk bildbehandling.

En annan innovativ metod är den dubbelsyns-OR-PAM, där laserstrålen delas upp i två strålar som koncentreras på en punkt vinkelrätt mot varandra. Detta skapar en dubbelsidig vy, och genom att tillämpa en särskild dekonvolutionsteknik kan den laterala upplösningen förbättras från 3 μm till 1,8 μm. Detta tillvägagångssätt möjliggör ännu mer detaljerade bilder och kan vara särskilt användbart vid undersökning av mikroskopiska strukturer i vävnader.

Den fortsatta utvecklingen inom PAM-teknologi öppnar nya dörrar för biomedicinska tillämpningar. Teknikens förmåga att erbjuda högupplösta bilder av biologiska vävnader i realtid gör det möjligt att studera sjukdomar och behandlingsprocesser på en mikroskopisk nivå. Framväxten av ny generationens PAM-system, som PI-PAM, GR-PAM och dubbelsyns-OR-PAM, gör det möjligt att noggrant analysera både ytan och djupet av biologiska strukturer och skapa bilder med hög spatial och axial upplösning. Dessa teknologiska framsteg är avgörande för att driva forskningen framåt och förbättra diagnostik och behandling i praktiken.

Förutom de tekniska förbättringarna av PAM-system är det också viktigt att förstå hur dessa metoder integreras i klinisk praxis. Genom att anpassa PAM-teknologin för användning i levande vävnader och utveckla mer effektiva bildbehandlingsalgoritmer, kommer PAM att kunna spela en ännu större roll i medicinsk diagnostik och terapi. Dessa framsteg kommer inte bara att förbättra visualiseringen av sjukdomar som cancer och hjärtsjukdomar utan även ge en bättre förståelse för biologiska processer i realtid.