Kvantitativ fotoakustisk tomografi (QPAT) är en medicinsk avbildningsteknik som kombinerar laserinducerade fotoakustiska signaler och ultraljudsdetektion för att skapa detaljerade tredimensionella bilder av biologiska vävnader. Processen går ut på att bestråla biologiska vävnader med korta laserpulser. Dessa pulser absorberas av ljusabsorberande molekyler (kromoforer) i vävnaderna, vilket leder till snabb uppvärmning och generering av ultraljudsvågor eller akustiska signaler.
Den resulterande fördelningen av akustiskt tryck mäts och registreras över tiden, vilket bildar en fotoakustisk tidsserie som används för att rekonstruera en tredimensionell vävnadsbild. I fotoakustisk tomografi sprids laserpulser över ett bredare vävnadsområde snarare än att de fokuseras på ett specifikt område. För att producera den slutliga vävnadsbilden är det avgörande att uppskatta de optiska egenskaperna hos vävnader från den uppmätta fotoakustiska tidsserien.
I en recension publicerad i Journal of Biomedical Optics (JBO) , Tanja Tarvainen från Östra Finlands universitet och Ben Cox från University College London diskuterar den optiska delen eller bildgenereringsaspekten av QPAT.
"Vår studie är fokuserad på den optiska delens matematik", säger Tarvainen. "Den kartlägger det nuvarande tänkandet angående två relaterade problem:vad är det bästa sättet att beskriva ljusutbredning och dess interaktion med biologisk vävnad matematiskt? Med tanke på fotoakustiska mätningar, vad kan vi i princip lära oss om de optiska egenskaperna hos vävnad, eller faktiskt relaterade och mer kliniskt relevanta egenskaper såsom blodsyresättning?"
Granskningen börjar med att introducera vanliga matematiska modeller för att beskriva utbredningen av ljus och ljud i biologiska vävnader, specifikt strålningsöverföringsekvationen (RTE) och dess approximationer. Dessa ekvationer beskriver ljusets rörelse genom ett medium, med tanke på dess absorption, spridning och emission. I QPAT fungerar RTE som en modell för att förstå hur ljus interagerar med biologiska vävnader, med antagande av den konstanta energin hos fotoner under elastiska kollisioner och ett konstant brytningsindex för mediet.
Granskningen introducerar sedan Grüneisen-parametern, som kopplar den optiska energin som absorberas av vävnaderna till den initiala akustiska tryckfördelningen. Ekvationer för utbredning av de akustiska vågorna i biologisk vävnad markeras också.
Därefter diskuterar forskarna det fotoakustiska omvända problemet som innebär att uppskatta koncentrationerna av ljusabsorberande molekyler i biologiska vävnader. Det finns två omvända problem i QPAT. I det akustiska inversa problemet bestäms den akustiska tryckfördelningen från den uppmätta fotoakustiska tidsserien.
Den här recensionen fokuserar dock på det optiska inversa problemet, där fördelningarna av optiska parametrar uppskattas från den absorberade optiska energitätheten. Att lösa omvända problem är viktigt för att få exakta uppskattningar av kliniskt viktiga parametrar, såsom koncentrationerna av oxihemoglobin och deoxihemoglobin, som är indikatorer på blodsyremättnadsnivåer.
Författarna beskriver två tillvägagångssätt för det optiska inversa problemet i QPAT:en direkt uppskattning av kromoforkoncentrationer från absorberade optiska energidensitetsdata och en tvåstegsprocess som involverar återvinning av absorptionskoefficienter, följt av spektroskopisk inversion för att beräkna koncentrationen.
Slutligen diskuterar granskningen de utmaningar som är förknippade med den praktiska implementeringen av QPAT. Dessa inkluderar att ta itu med effekten av optisk spridning, med hänsyn till variationen i absorptionen av optisk energi av vävnaderna (fluenseffekt), behovet av intensiva beräkningsmetoder och osäkerheter i parametrar som används som input till modellerna, såsom Grüneisen parameter.
"Även om QPAT är en lovande metod för att tillhandahålla högupplösta 3D-bilder av fysiologiskt relevanta parametrar, finns det många beräkningsmodelleringsbaserade utmaningar som måste angripas innan tekniken kan utvecklas som ett standardmässigt kliniskt eller prekliniskt verktyg", säger Tarvainen.
QPAT har ett betydande löfte för icke-invasiv medicinsk avbildning och diagnos. Ämnena som diskuteras i denna recension kan vägleda utvecklingen av strategier för att förbättra noggrannheten och tillförlitligheten hos QPAT i verkliga scenarier.
Mer information: Tanja Tarvainen et al, Kvantitativ fotoakustisk tomografi:modellering och omvända problem, Journal of Biomedical Optics (2023). DOI:10.1117/1.JBO.29.S1.S11509
Journalinformation: Journal of Biomedical Optics
Tillhandahålls av SPIE
