Obrazowanie termoakustyczne
Obrazowanie termoakustyczne zostało pierwotnie zaproponowane przez Theodore'a Bowena w 1981 roku jako strategia badania właściwości absorpcyjnych tkanek ludzkich przy użyciu praktycznie każdego rodzaju promieniowania elektromagnetycznego . Ale Alexander Graham Bell jako pierwszy opisał zasadę fizyczną, na której opiera się obrazowanie termoakustyczne sto lat wcześniej. Zauważył, że słyszalny dźwięk można wytworzyć, oświetlając przerywaną wiązkę światła słonecznego na gumowym arkuszu. Wkrótce po opublikowaniu pracy Bowena inni badacze zaproponowali metodologię obrazowania termoakustycznego z wykorzystaniem mikrofal. W 1994 roku naukowcy użyli lasera na podczerwień do stworzenia pierwszych termoakustycznych obrazów absorpcji optycznej w bliskiej podczerwieni w naśladujący tkankę , aczkolwiek w dwóch wymiarach (2D). W 1995 roku inni badacze sformułowali ogólny algorytm rekonstrukcji, za pomocą którego można było obliczyć obrazy termoakustyczne 2D z ich „projekcji”, czyli termoakustycznej tomografii komputerowej (TCT). W 1998 roku badacze z Indiana University Medical Center rozszerzyli TCT do 3D i wykorzystali impulsowe mikrofale do stworzenia pierwszych w pełni trójwymiarowych (3D) termoakustycznych obrazów tkanki biologicznej [wycięta nerka jagnięca (ryc. 1)]. W następnym roku stworzyli pierwsze w pełni trójwymiarowe obrazy termoakustyczne raka piersi u ludzi, ponownie wykorzystując impulsowe mikrofale (ryc. 2). Od tego czasu obrazowanie termoakustyczne zyskało powszechną popularność w instytucjach badawczych na całym świecie. Od 2008 roku trzy firmy opracowywały komercyjne systemy obrazowania termoakustycznego - Seno Medical, Endra, Inc. i OptoSonics, Inc.
Produkcja fal termoakustycznych
Dźwięk, który rozchodzi się jako fala ciśnienia , może być indukowany w praktycznie każdym materiale, w tym w tkance biologicznej, za każdym razem, gdy absorbowana jest zmienna w czasie energia elektromagnetyczna. Stymulujące promieniowanie, które indukuje te termicznie generowane fale akustyczne, może znajdować się w dowolnym miejscu widma elektromagnetycznego, od wysokoenergetycznych cząstek jonizujących po niskoenergetyczne fale radiowe. Termin „fotoakustyczny” (patrz obrazowanie fotoakustyczne w biomedycynie ) odnosi się do tego zjawiska, gdy stymulujące promieniowanie jest optyczne, podczas gdy „termoakustyczny” jest terminem bardziej ogólnym i odnosi się do wszystkich źródła promieniowania, w tym optyczne.
Proces generowania fal termoakustycznych przedstawiono na rysunku 3. Można go rozumieć jako proces czteroetapowy:
- Tkanka biologiczna jest naświetlana przez źródło energii, które jest wchłaniane przez organizm. Źródło energii jest niespecyficzne, ale zwykle składa się ze światła widzialnego , bliskiej podczerwieni , fal radiowych lub mikrofal .
- Pochłonięta energia jest przekształcana w ciepło, które podnosi temperaturę tkanki, zwykle o mniej niż 0,001 stopnia Celsjusza.
- Wzrost temperatury tkanki powoduje jej niewielkie rozszerzenie objętości.
- Ta mechaniczna ekspansja wytwarza falę akustyczną , która rozchodzi się na zewnątrz we wszystkich kierunkach od miejsca absorpcji energii z prędkością dźwięku w tkance biologicznej, około 1,5 mm na mikrosekundę.
Gdy tkanka jest naświetlana impulsem, częstotliwości akustyczne charakteryzujące falę akustyczną obejmują zakres od zera do 1/(szerokość impulsu). Np. impuls o długości 1 mikrosekundy wytwarza częstotliwości akustyczne od zera do około 1 megaherca (MHz). Krótsze impulsy wytwarzają szerszy zakres częstotliwości akustycznych. Częstotliwości większe niż 1 MHz są określane jako ultradźwiękowe i są również związane z medycznymi zastosowaniami ultrasonograficznymi .
Zasady tworzenia obrazu
Każde urządzenie do obrazowania termoakustycznego wymaga źródła promieniowania elektromagnetycznego, czy to lasera , czy anteny mikrofalowej , dostarczającej energię do badanej anatomii, oraz jednego lub więcej detektorów akustycznych połączonych akustycznie z zewnętrzną powierzchnią anatomii, jak pokazano na ryc. 4.
Typowym detektorem akustycznym jest przetwornik ultradźwiękowy , zwykle wykonany z materiału piezoelektrycznego , który przetwarza wykryte ciśnienie na sygnał elektryczny. Fale termoakustyczne są indukowane w anatomii wszędzie tam, gdzie ma miejsce absorpcja, a siła tych fal termoakustycznych jest proporcjonalna do energii pochłoniętej w tkance. Niektóre z tych fal rozchodzą się w anatomii w pewnym przedziale czasu ( time-of-flight ) przed wykryciem przez jeden lub więcej przetworników akustycznych. Dokładny czas przelotu jest proporcjonalny do odległości między miejscem absorpcji a przetwornikiem, przy założeniu, że każdy przetwornik jest detektorem punktowym . Dla dowolnego czasu przelotu każdy przetwornik otrzyma sumę fal termoakustycznych pochodzących z tej samej odległości od danego detektora, jak pokazano na ryc. 5. Z tego powodu pojawia się niejednoznaczność przy próbie zlokalizowania miejsca absorpcji z przetwornikiem punktowym. Zastosowano różne strategie, aby złagodzić tę niejednoznaczność.
Geometria detektora
Zastosowano trzy ogólne konfiguracje detektora: przetwornik zogniskowany sferycznie; liniowy (lub krzywoliniowy) układ przetworników, skupiony w jednym wymiarze; lub dwuwymiarowa tablica nieogniskowanych przetworników. Ogólnie rzecz biorąc, pojedynczy, skupiony przetwornik może zobrazować pojedynczą linię w objętości 3D. Matryca liniowa (1D), czy to prosta, czy zakrzywiona, może obrazować płaszczyznę 2D , ale obrazowanie pełnej objętości 3D wymaga zestawu przetworników 2D.
Skoncentrowany przetwornik
Sferycznie skupiony przetwornik jest najbardziej wrażliwy na fale termoakustyczne powstające wzdłuż linii przechodzącej przez jego ognisko . Informacje o czasie przelotu są wykorzystywane do oszacowania siły sygnału termoakustycznego wzdłuż tej linii. Obraz 2D można składać pojedynczo, przesuwając skupiony przetwornik poprzecznie wzdłuż ścieżki liniowej. Obraz 3D można zbudować, skanując przetwornik wzdłuż prostoliniowej ścieżki w płaszczyźnie 2D. [1] Zdolność rozróżniania sygnałów termoakustycznych wzdłuż linii ogniskowej ( osiowej rozdzielczość) przewyższa rozróżnianie sygnałów termoakustycznych poprzecznie do linii ostrości ( rozdzielczość poprzeczna ). Z tego powodu poprzeczna rozdzielczość przestrzenna jest trzy do czterech razy gorsza niż osiowa rozdzielczość przestrzenna przy zastosowaniu tego podejścia.
Tablica liniowa
Liniowe układy przetworników (zarówno zakrzywionych, jak i prostych) są powszechnie stosowane w konwencjonalnej ultrasonografii medycznej . Dostępne są w szerokiej gamie rozmiarów i kształtów. [2] Można je łatwo przystosować do obrazowania termoakustycznego. Rysunek 7 ilustruje, w jaki sposób układ liniowy jest używany do obrazowania termoakustycznego 2D. Matryca składa się z wielu elementów (64 - 256), które są skupione w wymiarze pionowym, aby zachować maksymalną czułość w płaszczyźnie 2D rozciągającej się na zewnątrz od przedniej powierzchni matrycy. Sygnały termoakustyczne w płaszczyźnie są lokalizowane poprzez obliczenie czasów przelotu z każdej pozycji w płaszczyźnie do każdego elementu układu (strzałki, ryc. 7). [3]
tablica 2D
Aby uchwycić wystarczającą ilość danych termoakustycznych, aby utworzyć dokładną trójwymiarową mapę absorpcji elektromagnetycznej, konieczne jest otoczenie obrazowanej anatomii układem przetworników 2D. Pierwszy na świecie termoakustyczny skaner zwierząt 3D (ryc. 8: lewy panel) osiągnął to, łącząc cylindryczny układ 128 przetworników (ryc. 8: środkowy panel) z obrotem obrazowanego zwierzęcia wokół osi pionowej. Wynik netto polegał na przechwyceniu danych termoakustycznych na powierzchni kuli otaczającej obrazowane zwierzę (ryc. 8: prawy panel). To urządzenie było w stanie wizualizować struktury tak małe jak 1/3 milimetra. Animowany obraz 3D układu naczyniowego w głowie myszy pokazano na ryc. 9. Ten animowany obraz uzyskano przy użyciu bliskiej podczerwieni o długości fali 800 nm, gdzie absorpcja optyczna przez krew jest wyższa niż w otaczających tkankach. Dlatego unaczynienie jest preferencyjnie wizualizowane. Mikrofale zostały również wykorzystane do utworzenia termoakustycznych obrazów 3D ludzkiej piersi. Jedno z pierwszych tego typu urządzeń przedstawiono na ryc. 10. Składało się ono z ośmiu falowodów, które kierowały energię mikrofal do piersi. Układ przetworników obracano synchronicznie z falowodami w celu uzyskania danych wystarczających do zrekonstruowania wewnętrznych struktur piersi. Rycina 11 przedstawia animację typowego wzoru tkanki gruczołowej w normalnej piersi.
Dalsza lektura
- Bauer, Daniel R.; Wang, Xiong; Vollin, Jeff; Xin, Hao; Witte, Russell S. (2011). „Obrazowanie termoakustyczne i spektroskopia dla lepszego wykrywania raka piersi” . 2011 Międzynarodowe Sympozjum Ultradźwiękowe IEEE . Międzynarodowe Sympozjum Ultradźwiękowe 2011 IEEE. s. 2364–2367. doi : 10.1109/ULTSYM.2011.0587 . ISBN 978-1-4577-1252-4 . Źródło 2018-02-28 .