Fotoakustisk billeddannelse til biomedicin

Fotoakustisk billeddannelse , som en modalitet for biomedicinsk billeddannelse, er baseret på den fotoakustiske effekt . I Photoacoustic billeddannelse, ikke-ioniserende laser pulser udsendes indenfor biologisk væv; når der anvendes radiofrekvensimpulser kaldes dette termoakustik. En del af den energi, der udsendes af laseren, omdannes derefter til varme, hvilket forårsager et termoelastisk forbigående regime og producerer ultralydsemission.. Den genererede ultralyd måles derefter af en ultralydstransducer og analyseres derefter for at generere billeder. Optisk absorption er tæt knyttet til fysiologiske egenskaber, såsom hæmoglobinkoncentration og iltmætning. Amplituden af ultralydsemissionen er proportional med den overførte mængde energi, og målingen afslører de optiske absorptionskontraster af de fysiologiske specificiteter. 2D- eller 3D-billeder af det målrettede område kan derefter beregnes. Fig. 1 er en illustration, der viser det grundlæggende i princippet om fotoakustisk billeddannelse.

Den optiske absorption af biologiske væv kan komme fra endogene molekyler, såsom hæmoglobin, melanin eller ellers eksogene, såsom kontrastmidler. Som et eksempel viser fig. 2 viser det optiske absorptionsspektrum af oxygeneret hæmoglobin (HbO 2) og deoxygeneret hæmoglobin (Hb) i det synlige og nær infrarøde spektrum. Da blodet har en absorptionskoefficient i størrelsesorden større end det omgivende væv, er den endogene kontrast derfor tilstrækkelig til visualisering af blodkarrene. Nylige undersøgelser har vist, at fotoakustisk billeddannelse kan udføres in vivo til overvågning af tumorangiogenese , kortlægning af iltning af blod, funktionel hjernedannelse, påvisning af melanom på huden osv.

Fysisk princip

Fotoakustisk billeddannelse er baseret på den fotoakustiske effekt : ved at udsende en elektromagnetisk bølge i en genstand (i dette tilfælde til medicinsk billeddannelse hos en patient) absorberes den, og dens energi omdannes til varme. Denne lokale stigning i varme skaber en udvidelse af vævene. Ved at variere den udsendte bølge (typisk sende korte impulser) vil vævene gennemgå ekspansionskompressionscyklusser, der genererer mekaniske bølger i patienten, som derefter kan lyttes til for at opbygge et indre billede af patienten.

Fotoakustisk / termoakustisk tomografi (PAT / TAT)

Et fotoakustisk tomografisystem (PAT) udløser den fotoakustiske excitationsproces ved hjælp af laserimpulser. En ufokuseret ultralydsdetektor bruges til at erhverve de producerede akustiske bølger. Billedet rekonstrueres derefter ved omvendt opløsning af de fotoakustiske ligninger.

Et termoakustisk tomografisystem (TAT) er identisk med et PAT-fotoakustisk system med undtagelse af, at mikrobølgeovn anvendes i stedet for laser excitationer.

Et konventionelt PAT-system er vist skematisk på den venstre del af figur 3. Laserpulserne er diffunderet for at dække hele det interessante område. Fotoakustiske bølger genereres i forhold til patientens optiske absorptionsfordeling og opsamles af en ultralydstransducer.

Generel ligning

I betragtning af varmefunktionen bestemmes dannelsen og udbredelsen af lydbølgetryk i et ikke-viskøst akustisk medium af ${\ displaystyle H ({\ vec {r}}, t)}$ ${\ displaystyle p ({\ vec {r}}, t)}$

{\ displaystyle \ nabla ^ {2} p ({\ vec {r}}, t) - {\ frac {1} {v_ {s} ^ {2}}} {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ partial {t ^ {2}}}} p ({\ vec {r}}, t) = - {\ frac {\ beta} {C_ {p}}} {\ frac {\ partial} {\ partial t}} H ({\ vec {r}}, t) \ qquad \ qquad \ quad \ quad (1),}

hvor er lydhastigheden i mediet, er koefficienten for termisk ekspansion og er den specifikke varmekapacitet ved konstant tryk. Ligning (1) er gyldig under betingelse af termisk indeslutning for at sikre, at varmeledningen er ubetydelig under exciteringen af laserimpulser. Termisk indeslutning findes, når laserens pulsbredde er ubetydelig sammenlignet med den termiske afslapningstid. $v_ {s}$ $\ beta$ $C_p$

Løsningen af ligning (1) (i fremadformering) er derefter

{\ displaystyle \ left.p ({\ vec {r}}, t) = {\ frac {\ beta} {4 \ pi C_ {p}}} \ int {\ frac {d {\ vec {r '} }} {| {\ vec {r}} - {\ vec {r '}} |}} {\ frac {\ partial H ({\ vec {r'}}, t ')} {\ partial t'} } \ right | _ {t '= t- | {\ vec {r}} - {\ vec {r'}} | / v_ {s}} \ qquad \ quad \, \, \, \, (2) .}

I spændingsindeslutning, som opstår, når laserpulsbredden er ubetydelig sammenlignet med stressrelaksationstiden, kan ligning (2) udvikles som

{\ displaystyle p ({\ vec {r}}, t) = {\ frac {1} {4 \ pi v_ {s} ^ {2}}} {\ frac {\ partial} {\ partial t}} \ venstre [{\ frac {1} {v_ {s} t}} \ int d {\ vec {r '}} p_ {0} ({\ vec {r'}}) \ delta \ left (t - {\ frac {| {\ vec {r}} - {\ vec {r '}} |} {v_ {s}}} \ højre) \ højre] \ qquad \, (3),}

hvor er det indledende fotoakustiske tryk. $p_ {0}$

Genopbygningsalgoritme

I en PAT system er lydtrykket detekteret ved at scanne med en ultralyd transducer overfladen af Photoacoustic kilde, i dette tilfælde den undersøgte legemsdel af patienten. For at opnå den interne fordeling af kilderne er det nødvendigt at løse det omvendte ligningsproblem (3).

En repræsentativ metode anvendt til genopbygningsproblemet i et PAT-system er den universelle bagprojektionsalgoritme. Denne metode er velegnet til tre typer geometrier: plane, sfæriske og cylindriske overflader.

Den universelle bagprojektionsformel er

{\ displaystyle \ left.p_ {0} ({\ vec {r}}) = \ int _ {\ Omega _ {0}} {\ frac {d \ Omega _ {0}} {\ Omega _ {0} }} \ left [2p ({\ vec {r_ {0}}}, v_ {s} t) -2v_ {s} t {\ frac {\ partial p ({\ vec {r_ {0}}}, v_ {s} t)} {\ partial (v_ {s} t)}} \ right] \ right | _ {t = | {\ vec {r}} - {\ vec {r_ {0}}} | / v_ {s}}, \ qquad \ quad (4),}

hvor er den faste vinkel understøttet af overfladen i forhold til genopbygningspunktet i , og hvor $\ Omega _ {0}$ $S_0$ $\ vec {r}$ $S_0$

{\ displaystyle d \ Omega _ {0} = {\ frac {dS_ {0}} {| {\ vec {r}} - {\ vec {r_ {0}}} | ^ {2}}} {\ frac {{\ hat {n}} _ {0} ^ {s}. ({\ vec {r}} - {\ vec {r_ {0}}})} {| {\ vec {r}} - {\ vec {r_ {0}}} |}}.}

Når man kender det indledende fotoakustiske tryk, opnås information om den optiske energi absorberet, og det er derfor muligt at udlede deraf de fysiologiske egenskaber af det exciterede væv. $p_ {0}$

Medicinske applikationer

Påvisning af hjerneskade

Blødt hjernevæv med forskellige absorptionsegenskaber kan tydeligt identificeres ved fotoakustisk tomografi. F.eks. Er absorptionskontrasten mellem en læsionsregion og parenkymet signifikant som vist i fig. 4 (a) (læsionen er placeret i den nederste venstre del). Fig. 4 (b) er fotografiet svarende til den åbne kranium efter eksperimentet.

Hæmodynamisk overvågning

Siden HbO 2og Hb er de dominerende absorberende forbindelser af biologisk væv i det synlige spektrum , kan fotoakustiske målinger ved flere bølgelængder anvendes til at afsløre de relative koncentrationer af disse to kromoforer . Således de relative totale koncentrationer af hæmoglobin og oxygenmætningen af hæmoglobin (SO 2) kan fås. Det er derfor muligt at opdage ændringer i cerebral hæmodynamik forbundet med hjernefunktioner .

Figur 5 er det funktionelle billede af hjernens hæmodynamiske ændringer som reaktion på stimulering af rottehår. I denne figur svarer (a) til PAT-billedet af de vaskulære mønstre i den overfladiske del af rottebarken, erhvervet uden at skabe skade på huden eller kraniet. (b) og (c) er de funktionelle PAT-billeder, der svarer til excitationen af henholdsvis venstre og højre overskæg. (d) er et åbent kraniumfoto af den overfladiske del af rottebarken.

Figur 6 viser funktionelle ændringer af SO 2og HbT som resultater af fysiologiske moduleringer. I hyperoxi er det gennemsnitlige niveau af sO 2, betegnet <sO 2>, I regionerne i corticale vener i hjernen af rotte, er større end i normoxi , med en forskel <ΔsO 2> ~ 10%. I en tilstand af hyperoxi er <sO 2> er lavere end i en tilstand af normoxi med en forskel <ΔsO 2> ~ 13%. Mens det gennemsnitlige HbT-niveau, <HbT>, viser en relativ stigning på ~ 12%, bemærket <ΔHbT> / <HbT>, som en konsekvens af overgangen fra normoxia til hyperoxia , som er signifikant større end den ~ 4% relative stigning i <HbT> som et resultat af overgangen fra hyperoxi til normoxi.

Diagnose af brystkræft

Ved hjælp af mikrobølger med lav spredning som en excitationskilde er et TAT-system i stand til at trænge igennem tykt biologisk væv (flere centimeter) med en rumlig opløsning på mindre end en millimeter. Da sunde og kræftvæv har forskellige reaktioner på radiofrekvent stråling , kan TAT-modaliteten muligvis finde anvendelse i den tidlige diagnose af brystkræft .

Figur 7 viser TAT-billedet af en mastektomi, hvor brystets ondartede væv genererer et meget større termoakustisk signal end det godartede væv, der omgiver det på grund af dets stærke absorption af mikrobølger.

Fotoakustisk mikroskopi (PAM)

Fotoakustisk mikroskopi (PAM) består i at anvende principperne for den fotoakustiske effekt ved at fokusere den lysende laserstråle og bruge en fokuseret ultralydstransducer til at opnå billedet af optagelsen af laseren i det observerede område. Det er derefter tilstrækkeligt at udføre en punkt-til-punkt-erhvervelse for at opnå et billede i høj opløsning af den observerede prøve.

Udforskningsdybden af fotoakustisk mikroskopi er hovedsageligt begrænset af dæmpningen af ultralyd. Rumlige og laterale opløsninger afhænger af den anvendte transducer. For at opnå høj aksial opløsning skal der vælges en transducer med høj centerfrekvens og bred båndbredde. Den laterale opløsning bestemmes af transducerens brændvidde. For eksempel gør en ultralydstransducer med en central frekvens på 50 MHz det muligt at opnå en aksial opløsning på 15 um og lateral opløsning på 45 um til en udforskningsdybde på 3 mm .

PAM har mange applikationer inden for funktionel billeddannelse. Egenskaberne ved den fotoakustiske effekt gør det især muligt at udvinde fysiologisk information om den observerede prøve, såsom koncentrationen af hæmoglobin eller iltmætning. PAM finder således sin interesse i observation af biologiske væv in vivo . De medicinske applikationer, der i øjeblikket er valgt af forskere, billedbehandling angiogenese af en tumor, iltmætning af blodet eller melanomer.

Noter og referencer

( fr ) Denne artikel er helt eller delvist taget fra den engelske Wikipedia- artikel med titlen " Photoacoustic imaging in biomedicine " ( se forfatterlisten ) .

(en) A. Grinvald et al. , “ Funktionel arkitektur af cortex afsløret ved optisk billeddannelse af iboende signaler ” , Nature , bind. 324, nr . 60951986, s. 361-364. ( PMID 3785405 , DOI 10.1038 / 324361a0 )
(da) M. Xu og LH Wang, “ Photoacoustic imaging in biomedicine ” , Review of Scientific Instruments , bind. 77, nr . 4,2006, s. 041101 ( DOI 10.1063 / 1.2195024 )
(in) optiske spektraegenskaber
(en) LH Wang og HI Wu, biomedicinsk optik: principper og billeddannelse , Wiley ,2007, 376 s. ( ISBN 978-0-471-74304-0 , læs online )
(in) Mr. Xu et al. , “ Universal back-projection algoritme for photoacoustic-computed tomography ” , Physical Review E , bind. 71, nr . 1,2005, s. 016706 ( DOI 10.1103 / PhysRevE.71.016706 )
(en) X. Wang et al. , “ Ikke-invasiv laserinduceret fotoakustisk tomografi til strukturel og funktionel billeddannelse af hjernen in vivo ” , Nature Biotechnology , bind. 21, nr . 7,2003, s. 803–806 ( PMID 12808463 , DOI 10.1038 / nbt839 )
(en) G. Ku et al. , “ Termoakustisk og fotoakustisk tomografi af tykke biologiske væv mod brystbilleddannelse ” , Technology in Cancer Research and Treatment , bind. 4, nr . 5,2005, s. 559–566 ( PMID 16173826 )