Advancement forenkler laserbaseret medicinsk billeddannelse

Fotoakustisk billeddannelse, en teknik til at undersøge levende materialer ved brug af laserlys og ultralydslydbølger, har mange potentielle anvendelser inden for medicin på grund af dens evne til at vise alt fra organer til blodkar til tumorer.

Caltechs Lihong Wang, en pioner på området, har udviklet varianter af fotoakustisk billeddannelse, der kan vise organer, der bevæger sig i realtid, udvikle tredimensionelle (3-D) billeder af indre kropsdele, og endda differentiere kræftceller fra raske celler.

Wang, Bren professor i medicinsk teknik og elektroteknik, har nu yderligere avanceret fotoakustisk billedteknologi med det, han kalder Photoacoustic Topography Through an Ergodic Relay (PATER), som har til formål at forenkle det nødvendige udstyr til billeddannelse af denne type.

For at forklare, hvordan PATER virker, nogle baggrundsoplysninger er nødvendige. Fotoakustisk billeddannelse virker ved at sende en puls af laserlys ind i det væv, der skal undersøges. Når lyset rammer molekyler i vævet, det får dem til at vibrere, skabe ultralydsbølger, der bevæger sig gennem vævet, indtil de opfanges af en type sensor kaldet en transducer, der presses mod vævets overflade. De signaler, der detekteres af transducerne, behandles af en computer for at skabe et billede af vævets indre struktur.

Dette system virker, men for at udvikle et klart billede, flere sensorer er påkrævet. En iteration af teknologien bruger 512 sensorer, der alle skal presses mod vævet på én gang.

"Hvert punkt på overfladen skal være dækket af en række transducere, og det er lidt dyrt at bygge, " siger Wang. "Vi overvejer, hvordan vi kan gøre vores system billigere, og bærbar. Det er svært at gøre et array kompakt nok til at bære."

At gøre systemet billigere og mere kompakt betyder at bruge færre sensorer, men det ville gøre det vanskeligt at indsamle nok data til at udvikle et billede. Nu, Wang og hans forskerhold har fundet en løsning:et såkaldt ergodisk relæ.

Inden for databehandling, der er to hovedmåder at overføre data på:seriel og parallel. I seriel transmission, dataene sendes i en enkelt strøm gennem én kommunikationskanal. Parallel transmission, flere stykker data sendes på samme tid ved hjælp af flere kommunikationskanaler.

De to typer kommunikation er nogenlunde analoge med den måde, kasseapparater kan bruges i en butik. Seriel kommunikation ville være som at have ét kasseapparat. Alle kommer i samme linje og ser den samme kasserer. Parallel kommunikation ville være som at have flere registre og en linje til hver.

Systemet Wang designet med 512 sensorer ligner butikken med mange kasseapparater. Alle sensorerne arbejder på samme tid, med hver indtagelse af en del af dataene om de ultralydsvibrationer, der genereres af laserimpulsen.

Da ultralydsvibrationerne fra systemet kommer i et kort stød, en enkelt sensor ville blive overvældet, hvis den blev brugt til at forsøge at indsamle alle data på den korte tid. Det er her det ergodiske relæ kommer ind.

Som Wang beskriver det, et ergodisk relæ er en slags kammer, som lyd kan ekko omkring. Når ultralydsvibrationerne passerer gennem det ergodiske relæ, de strækkes ud i tiden. For at vende tilbage til kasse-metaforen, det ville være som at have en anden medarbejder til at hjælpe den enlige kasserer ved at bede kunderne om at gå et par omgange rundt i butikken, indtil kassereren er klar til at se dem, så kassereren ikke bliver overvældet.

Wang siger, at denne første version af PATER-systemet er i stand til at generere 2-D-billeder, men endnu ikke kan generere 3-D-billeder som nogle af hans andre fotoakustiske systemer. Han tilføjer, at systemet, når moden, kan også være nyttigt til andre medicinske formål udover blot billeddannelse af væv og kropsstrukturer.

"Vi kunne måske bruge det til at registrere glukoseniveauer hos diabetespatienter, hvis vi bruger bølgelængden af ​​lys absorberet af glukose, " siger han. "Måske kunne vi køre lipidpaneler? Vi kan mærke alle mulige kemikalier, hvis vi tuner systemet til disse molekyler."

Avisen, der beskriver teknologien, med titlen "Snapshot fotoakustisk topografi gennem et ergodisk relæ til high-throughput billeddannelse af optisk absorption, " vises i udgaven af ​​20. januar af Naturfotonik .