Hur kan termoakustisk och protoakustisk avbildning förbättra verifiering av protonstrålning vid cancerbehandling?

I den moderna strålbehandlingen av cancer har noggrann verifiering av protonstrålens räckvidd blivit avgörande för att säkerställa precisionen och effektiviteten av behandlingen. Flera tekniker används för att uppnå denna verifiering, där termoakustiska och protoakustiska metoder har visat sig vara lovande. Dessa metoder baseras på fysikaliska fenomen där ljudvågor genereras som ett resultat av protonstrålens interaktion med vävnad, vilket i sin tur möjliggör en noggrann mätning av strålens räckvidd och energiabsorption i vävnaden.

Protoakustisk avbildning, som innebär användning av ljudvågor som genereras av protonstrålar i vävnad, har också visat sig vara ett effektivt verktyg för att verifiera strålens räckvidd. Enligt forskning av Samant et al. (2022) möjliggör protoakustiska signaler från en planär ultraljudsarray att man genom simuleringsarbetsflöden exakt kan återuppbygga 3D-doseringsdistributioner för protonstrålning. Tekniken visar en hög potential att förbättra precisionen i behandlingar som använder protonstrålar genom att exakt kartlägga strålens väg genom kroppen och därmed minska risken för biverkningar i omgivande friska vävnader.

I tillägg till de traditionella metoderna har den senaste forskningen också fokuserat på att kombinera termoakustiska och protoakustiska metoder med andra avbildningstekniker för att skapa mer omfattande och precisa diagnostiska verktyg. I en studie från 2023 undersökte Yu et al. användningen av tidsomvändningsbaserad protoakustisk rekonstruktion för att verifiera både räckvidd och dos i protonterapi. De resultat som erhölls visade på hur dessa tekniker, i kombination med avancerad bildbehandling, kan ge en betydligt bättre förståelse för strålbehandlingens effekt på vävnaden.

För att förbättra noggrannheten ytterligare har det också lagts vikt vid att utveckla avancerade algoritmer för att reducera störningar i signalerna, som exempelvis genom användning av djupinlärningstekniker för signaldenoising. En studie av Wang et al. (2023) visade hur djupinlärningsbaserade metoder för protoakustisk signalrensning kan öka signal-till-brus-förhållandet och därmed förbättra precisionen vid verifiering av protonstrålens räckvidd.

Dessa framsteg i termoakustisk och protoakustisk avbildning har potentialen att dramatiskt förändra sättet på vilket protonterapi övervakas och verifieras. För att optimera dessa tekniker krävs ytterligare forskning och utveckling, särskilt inom området för att kombinera flera bildtekniker och förbättra algoritmer för bildrekonstruktion och signalbehandling. Dessutom är det viktigt att förstå att även om dessa tekniker har visat lovande resultat i experimentella miljöer, krävs kliniska studier för att bekräfta deras effektivitet och tillämpbarhet på lång sikt.

Vid implementeringen av dessa teknologier bör det också beaktas att den tekniska komplexiteten kräver en hög nivå av expertis inom både fysik och medicinsk bildbehandling. Det är därför avgörande att etablera riktlinjer och utbildningsprogram för kliniker och tekniker som kommer att använda dessa metoder i praktiken. Dessutom, medan dessa tekniker kan bidra till att optimera behandlingsprecisionen, är det viktigt att komma ihåg att de är ett komplement till, inte en ersättning för, andra diagnostiska och behandlingsmetoder.

Endtext

Hur kan Photoacoustic Tomografi (PAT) och Laserinducerad Ultraljud (LIUS) förbättra bröstbildbehandling?

Photoacoustic tomografi (PAT) är en innovativ metod som kombinerar ljusabsorption och akustisk vågförmedling för att skapa bilder av vävnader i olika biologiska material. Till skillnad från traditionell optisk bildbehandling, där ljus sprids kraftigt i biologiska vävnader, erbjuder PAT en överlägsen upplösning i djupet samtidigt som den behåller hög kemisk känslighet. Dock innebär denna teknik vissa utmaningar, särskilt när det gäller att rekonstruera bilder från de detekterade signalerna. En grundläggande princip inom PAT är att signalernas ankomsttider används för att bestämma deras ursprungliga position i vävnaden, men dessa beräkningar bygger på antagandet av en konstant ljudhastighet för det detekterade organet. Detta är inte alltid korrekt, eftersom olika vävnadstyper har olika ljudhastigheter, vilket gör att denna förenklade metod kan ge felaktiga resultat.

För att förbättra bildkvaliteten i PAT används ofta ultraljudsbaserad tomografi (USCT) för att skapa en ljudhastighetskarta, vilket gör det möjligt att rekonstruera bilder mer exakt. Denna metod tar hänsyn till vävnadens strukturella variationer och ljudhastigheter, vilket gör den särskilt användbar för exempelvis bröstbildbehandling, där vävnader kan variera avsevärt i både sammansättning och struktur. Genom att kombinera PAT och USCT kan man inte bara återskapa en mer exakt bild utan också förbättra signal-till-brusförhållandet (SNR) och öka precisionen vid rekonstruktionen av fotoakustiska bilder.

Förekomsten av olika vävnadstyper i bröstet kräver att ljudhastighetskartorna är noggrant kartlagda. För bröstvävnad, där variationer i vävnad och struktur är vanliga, kan en noggrant rekonstruerad ljudhastighetsbild ge betydande förbättringar i bildrekonstruktion och bildens skärpa. En sådan kartläggning kan också användas för att korrigera för de fel som uppstår från den förenklade antagandet om ljudhastighet som ofta används i traditionell PAT.

En annan teknik som har visat sig vara användbar för att generera ultraljud i kombination med PAT är laserinducerad ultraljud (LIUS). Genom att använda en pulserande laser och absorption av ljus i ett skikt eller film, kan en termoelastisk expansion, alltså den fotoakustiska effekten, skapa ultraljudsvågor. Detta ger ett flexibelt alternativ till traditionella piezoelektriska transducera, eftersom det gör det möjligt att justera de rumsliga och frekvensmässiga egenskaperna hos den ultraljudsstrålning som används för bildtagning genom att ändra den optiska absorptionen och formen på den emitterande ytan.

De material som används för att skapa dessa filmer är vanligen billiga och lättillgängliga, vilket gör det möjligt att skräddarsy systemen för specifika behov, något som är svårt att uppnå med andra teknologier. Även om tidigare system som använder LIUS har utvecklats främst för små strukturer, såsom musemodeller av sjukdomar, har nya prototyper utvecklats för större objekt, inklusive bröststorlekar. Dessa system, som kombinerar PAT med LIUS och CT, gör det möjligt att utföra både bildrekonstruktion och strukturell avbildning av bröstvävnad på ett mer detaljerat och exakt sätt.

En av de stora fördelarna med det nya systemet är dess förmåga att använda både reflekterande och genomträngande LIUS-CT-tekniker för att skapa en mer komplett bild av vävnadens strukturella och funktionella egenskaper. Genom att använda reflekterande bildteknik kan forskarna få en bättre förståelse för de yttre strukturerna i vävnader, medan genomträngande teknik tillåter inspektion av djupare lager av vävnad. Detta ger en fullständig bild av vävnadens akustiska och optiska egenskaper, vilket är särskilt användbart när man arbetar med komplexa strukturer som bröstvävnad.

Utvecklingen av dessa bildbehandlingstekniker gör det möjligt att fortsätta förbättra diagnostiska metoder för cancer och andra sjukdomar, genom att erbjuda mer detaljerad information om vävnadens sammansättning och struktur på ett icke-invasivt sätt. Dessa system kan potentiellt leda till tidigare upptäckt av sjukdomar, vilket kan ha en avgörande betydelse för behandling och prognos.

Hur Detekteringsparametrar För Påvisning Av PA-signaler Påverkar Ultrasonografi Och Medicingrepp

Ultraljudsdetektorns parametrar är starkt beroende av den avsedda applikationen. Exempelvis påverkas graden av dämpning i biologisk vävnad, omkring 0,5 dB per MHz per cm, av ultraljudsvågans frekvens. Djupt belägna mål kräver att bandbredden för ultraljudstransduktorn minskas, vilket medför förlust av information om ytliga strukturer. För att illustrera detta, vid en dämpning på 25 dB, kan en 5 MHz ultraljudsvåg tränga igenom 10 cm vävnad, medan en 50 MHz ultraljudsvåg endast tränger igenom 1 cm. Detta innebär att medan högre upplösning kan uppnås genom att använda högre frekvenser, sker detta på bekostnad av djupare penetrering.

Storleken på detektorn är en annan viktig parameter som påverkar både känsligheten och den rumsliga upplösningen. Att minska detektorns storlek kan förbättra upplösningen och minska systemets kompakthet, men detta medför också en minskad känslighet då det aktiva detektionsområdet reduceras. Dessutom, med tanke på piezoelektriska element, förförstärkare och elektrisk isolering, finns det strikt definierade begränsningar för hur liten piezoelektrisk transduktor kan vara. Nyligen har optiska detektorer uppmärksammats för PA-signaldetektering eftersom de kan minimeras till mikrometerskala. Optiska fiberdetektorer har till exempel en detekteringsarea som kan minskas till 0,13 × 0,27 mm, samtidigt som de bibehåller hög känslighet (100 Pa NEP) och en bred bandbredd (77 MHz). Minimerade ultraljudsdetektorer kan vara särskilt fördelaktiga i minimalt invasiva procedurer såsom medicinsk endoskopi, inspektion av små hålrum och visualisering av lumen i icke-destruktiv testning.

För PA-signaldetektering finns två huvudsakliga typer av ultraljudsdetektorer: piezoelektriska transduktorer (PZT) och optikbaserade ultraljudssensorer. Valet av detektor beror till stor del på de parametrar som diskuteras ovan. Ultrasoniska transduktorer produceras kommersiellt med piezoelektriska element som kan omvandla elektriska signaler till ultraljud och vice versa. I PAM (Photoacoustic Microscopy) fungerar dock transduktorerna enbart som mottagare av PA-signaler. Piezoelektriska transduktorer använder den reversibla piezoelektriska effekten för att omvandla mekaniska signaler, såsom akustiska vågor, till elektriska signaler. De bästa materialen för denna effekt är oftast nitrider och oxider av metaller och halvledare, och det krävs kontrollerade processer för kristallisation och tillväxt.

Mikro-mekaniska ultraljudstransduktorer (MUTs) tillverkas oftast genom silikonmikrobearbetning (MEMs) och kan skräddarsys för specifika tillämpningar. Andra mekanismer för ultraljudstransduktorer inkluderar icke-piezoelektriska system som mikrofoner och kondensatormikrofoner, vilka registrerar förändringar i elektriska fält som orsakas av ultraljudsvågor. Det är viktigt att överväga hur optiska och akustiska strålar levereras för att undvika att de blockerar varandra, och det finns metoder för att separera dessa signaler, som till exempel att använda akustisk-optisk prismkombination.

För att få en optimal bildkvalitet och uppnå kvantitativa mätningar är det avgörande att noggrant välja rätt typ av detektor beroende på applikationens krav. Den tekniska utvecklingen inom detta område gör det möjligt att använda mycket små detektorer utan att förlora väsentlig detektionskapacitet, vilket kan leda till nya tillämpningar inom både medicinsk bildbehandling och icke-destruktiv testning.

Hur CSNP-PDMS-kompositer förbättrar fiberoptiska ultraljudstransduktorer för minimalinvasiv bildbehandling

Trots dessa framsteg kvarstår behovet av ytterligare utveckling för att optimera prestandan hos fiberoptiska OpUS-sändare (optiskt inducerade ultraljudssignaler) baserade på CSNP-PDMS-kompositer. Bodian et al. jämförde två metodiker för att framställa dessa kompositer, en traditionell metod och en ny metod kallad "all-in-one" (AiO). AiO-metoden innebar att CSNPs blandades med PDMS och sedan användes för att dippa en 200 μm fiber för att skapa en integrerad komposit. Den andra metoden, kallad direktdeponering (DD), använde en teknik där fiberns distala ände hölls 2,5 mm från en ljuslåga under fyra sekunder innan den dippades i PDMS. Båda metoderna resulterade i kompositer som uppvisade utmärkta optiska absorberande egenskaper, med en absorption på över 98% i intervallet 500–1400 nm och kunde generera hög peak-to-peak-ultraljudstryck på över 3 MPa. Dessa material gjorde det möjligt att åstadkomma högupplöst B-mode ultraljudsbildbehandling av både ex vivo fårhjärna och andra vävnader.

QDs används också för att skapa "wavelength-selective elastomeric composites" som kan anpassas för att optimera både bildkvalitet och diagnostiska förmågor. Ett av de största forskningsområdena för närvarande är att utveckla QDs som inte innehåller tungmetaller för att undvika toxiska effekter i biologisk vävnad, särskilt i medicinska tillämpningar.

En annan intressant aspekt av den här tekniken är dess förmåga att tillhandahålla högupplösta bilder av biologiska vävnader med minimal invasivitet. Det innebär att kirurger kan använda denna typ av teknik för att navigera i känsliga områden, såsom hjärnan, och få realtidsbilder som kan vägleda operationer och ingrepp. Detta öppnar upp möjligheter för en ny generation av ultraljudsbaserade bildbehandlingstekniker som kan användas för att behandla och diagnostisera olika medicinska tillstånd.

Genom att kombinera olika metoder, som QDs och CSNP-PDMS-kompositer, förväntas framtida forskning och utveckling kunna erbjuda nya lösningar för att övervinna de nuvarande begränsningarna i ultraljudsbildbehandling. Det kommer också att bidra till att utveckla en teknik som inte bara förbättrar bildkvaliteten, utan även gör det möjligt för läkare att genomföra mer precisa och effektiva behandlingar med högre säkerhet och lägre risk för patienten.