Gennemgang dækker optiske aspekter af kvantitativ fotoakustisk tomografi

Kvantitativ fotoakustisk tomografi (QPAT) er en medicinsk billedbehandlingsteknik, der kombinerer laser-inducerede fotoakustiske signaler og ultralydsdetektion for at skabe detaljerede tredimensionelle billeder af biologisk væv. Processen involverer bestråling af biologisk væv med korte laserimpulser. Disse impulser absorberes af lysabsorberende molekyler (kromoforer) i vævene, hvilket fører til hurtig opvarmning og generering af ultralydsbølger eller akustiske signaler.

Den resulterende fordeling af akustisk tryk måles og registreres over tid og danner en fotoakustisk tidsserie, der bruges til at rekonstruere et tredimensionelt vævsbillede. Ved fotoakustisk tomografi spredes laserimpulser over et bredere vævsområde i stedet for at være fokuseret på et specifikt område. For at producere det endelige vævsbillede er det afgørende at estimere de optiske egenskaber af væv fra den målte fotoakustiske tidsserie.

I en anmeldelse offentliggjort i Journal of Biomedical Optics (JBO) , Tanja Tarvainen fra University of Eastern Finland og Ben Cox fra University College London diskuterer den optiske del eller billedgenereringsaspektet af QPAT.

"Vores undersøgelse er fokuseret på matematikken i den optiske del," siger Tarvainen. "Den kortlægger den nuværende tankegang vedrørende to relaterede problemer:Hvad er den bedste måde at beskrive lysudbredelse og dets interaktion med biologisk væv matematisk? Givet fotoakustiske målinger, hvad kan vi i princippet lære om vævs optiske egenskaber, eller faktisk relaterede og mere klinisk relevante egenskaber såsom blodiltning?"

Gennemgangen begynder med at introducere almindeligt anvendte matematiske modeller til beskrivelse af udbredelsen af ​​lys og lyd i biologiske væv, specifikt radiative transfer equation (RTE) og dens tilnærmelser. Disse ligninger beskriver lysets bevægelse gennem et medium under hensyntagen til dets absorption, spredning og emission. I QPAT fungerer RTE som en model til at forstå, hvordan lys interagerer med biologiske væv, idet den antager den konstante energi af fotoner under elastiske kollisioner og et konstant brydningsindeks for mediet.

Gennemgangen introducerer derefter Grüneisen-parameteren, som forbinder den optiske energi, der absorberes af vævene, til den indledende akustiske trykfordeling. Ligninger for udbredelse af de akustiske bølger i biologisk væv fremhæves også.

Dernæst diskuterer forskerne det fotoakustiske omvendte problem, som involverer estimering af koncentrationerne af lysabsorberende molekyler i biologiske væv. Der er to omvendte problemer i QPAT. I det akustiske omvendte problem bestemmes den akustiske trykfordeling ud fra den målte fotoakustiske tidsserie.

Denne gennemgang fokuserer dog på det optiske inverse problem, hvor fordelingen af ​​optiske parametre estimeres ud fra den absorberede optiske energitæthed. At løse omvendte problemer er vigtigt for at opnå nøjagtige estimater af klinisk vigtige parametre, såsom koncentrationerne af oxyhæmoglobin og deoxyhæmoglobin, som er indikatorer for blodets iltmætning.

Forfatterne skitserer to tilgange til det optiske inverse problem i QPAT:en direkte estimering af kromoforkoncentrationer fra absorberede optiske energitæthedsdata og en to-trins proces, der involverer genvinding af absorptionskoefficienter, efterfulgt af spektroskopisk inversion for at beregne koncentrationen.

Til sidst diskuterer gennemgangen de udfordringer, der er forbundet med den praktiske implementering af QPAT. Disse omfatter at adressere effekten af ​​optisk spredning, overveje variationen i vævenes absorption af optisk energi (fluenseffekt), behovet for intensive beregningsmetoder og usikkerheder i parametre, der bruges som input til modellerne, såsom Grüneisen parameter.

"Selvom QPAT er en lovende metode til at levere højopløselige 3D-billeder af fysiologisk relevante parametre, er der mange beregningsmæssige modelleringsbaserede udfordringer, der skal tackles, før teknikken kan udvikles som et standard klinisk eller præklinisk værktøj," siger Tarvainen.

QPAT har betydelige løfter for ikke-invasiv medicinsk billeddannelse og diagnose. De emner, der diskuteres i denne gennemgang, kan guide udviklingen af ​​strategier til at forbedre nøjagtigheden og pålideligheden af ​​QPAT i scenarier i den virkelige verden.

Flere oplysninger: Tanja Tarvainen et al., Kvantitativ fotoakustisk tomografi:modellering og omvendte problemer, Journal of Biomedical Optics (2023). DOI:10.1117/1.JBO.29.S1.S11509

Journaloplysninger: Journal of Biomedical Optics

Leveret af SPIE