Введение
Фотоакустическая визуализация или оптоакустическая визуализация – это метод биомедицинской визуализации, основанный на фотоакустическом эффекте. Неионизирующие лазерные импульсы направляются в биологические ткани, где часть энергии поглощается и преобразуется в тепло, вызывая кратковременное термоэластическое расширение и, как следствие, широкополосную (т.е. МГц) ультразвуковую эмиссию. Образующиеся ультразвуковые волны регистрируются ультразвуковыми датчиками и затем анализируются для создания изображений. Оптическое поглощение тесно связано с физиологическими характеристиками, такими как концентрация гемоглобина и насыщение кислородом. В результате, величина ультразвукового излучения (т.е. фотоакустического сигнала), пропорциональная локальному отложению энергии, отражает физиологически специфичный оптический контраст поглощения. На основе этих данных формируются двухмерные или трехмерные изображения интересующих областей.
optical variant
Photoacoustic imaging or optoacoustic imaging is a biomedical imaging modality based on the photoacoustic effect. Non ionizing laser pulses are delivered into biological tissues and part of the energy will be absorbed and converted into heat, leading to transient thermoelastic expansion and thus wideband (i. e. MHz) ultrasonic emission. The generated ultrasonic waves are detected by ultrasonic transducers and then analyzed to produce images. It is known that optical absorption is closely associated with physiological properties, such as hemoglobin concentration and oxygen saturation. As a result, the magnitude of the ultrasonic emission (i. e. photoacoustic signal), which is proportional to the local energy deposition, reveals physiologically specific optical absorption contrast. 2D or 3D images of the targeted areas can then be formed.
Простая система
Простая система PAT/TAT/OAT показана в левой части рис. 3. Лазерный луч расширяется и рассеивается для охвата всей интересующей области. Фотоакустические волны генерируются пропорционально распределению оптического поглощения в исследуемом объекте и регистрируются одним сканирующим ультразвуковым датчиком. Система TAT/OAT аналогична PAT, за исключением использования микроволнового источника возбуждения вместо лазера. Хотя в этих двух системах применялись датчики с одним элементом, схему регистрации можно расширить для использования ультразвуковых матриц.
Обнаружение поражения мозга
Мягкие ткани с различными характеристиками оптического поглощения в мозге могут быть чётко идентифицированы с помощью фотоакустической томографии (PAT).
Мониторинг гемодинамики
Поскольку HbO2 и Hb являются основными поглощающими соединениями в биологических тканях в видимом спектральном диапазоне, многоволновые фотоакустические измерения могут быть использованы для определения относительной концентрации этих двух хромофоров. Таким образом, можно определить относительную суммарную концентрацию гемоглобина (HbT) и степень насыщения гемоглобина кислородом (sO2). Следовательно, церебральные гемодинамические изменения, связанные с активностью мозга, могут быть успешно обнаружены с помощью фотоакустической томографии (ПАТ).
Диагностика рака молочной железы
Используя микроволны с низким рассеянием для возбуждения, TAT способен проникать в толстые (в несколько сантиметров) биологические ткани с пространственным разрешением менее миллиметра. Поскольку раковая и нормальная ткани демонстрируют примерно одинаковую реакцию на радиочастотное излучение, возможности ТАТ в ранней диагностике рака молочной железы ограничены.
Фотоакустическая микроскопия
Глубина изображения фотоакустической микроскопии главным образом ограничена затуханием ультразвука. Пространственное (то есть осевое и поперечное) разрешение зависит от используемого ультразвукового датчика. Для достижения высокого осевого разрешения выбирают ультразвуковой датчик с высокой центральной частотой и широкой полосой пропускания. Поперечное разрешение определяется фокусным диаметром датчика. Например, ультразвуковой датчик с частотой 50 МГц обеспечивает осевое разрешение 15 микрометров и поперечное разрешение 45 микрометров при глубине изображения около 3 мм. Фотоакустическая микроскопия имеет множество важных применений в функциональной визуализации: она позволяет обнаруживать изменения в концентрации оксигемоглобина и дезоксигемоглобина в мелких сосудах.
Другие применения
Фотоакустическая визуализация недавно стала применяться в диагностике произведений искусства, особенно для выявления скрытых элементов, таких как подготовительные рисунки или оригинальные линии эскизов в живописи. Фотоакустические изображения, полученные с миниатюрных масляных картин на холсте, освещенных импульсным лазером с обратной стороны, отчетливо показали наличие линий карандашного эскиза, закрашенных несколькими слоями краски.
Достижения в области фотоакустической визуализации
Фотоакустическая визуализация в последнее время претерпела значительные усовершенствования благодаря интеграции принципов глубокого обучения и компрессионного зондирования. Дополнительную информацию о применении глубокого обучения в фотоакустической визуализации можно найти в работе "Глубокое обучение в фотоакустической визуализации".