Multispektral optoakustik tomografiya

Koʻp spektral optoakustik tomografiya (MSOT), shuningdek, funktsional fotoakustik tomografiya (fPAT) deb nomlanuvchi, an tasvirlash texnologiyasi yuqori aniqlikdagi optik tasvirlarni yaratadi tarqatuvchi vositalar, shu jumladan biologik toʻqimalar. MSOT toʻqimalarni vaqtinchalik energiya nuri bilan yoritadi, odatda 1-100 nanosekundada davom etadigan yorugʻlik pulslari. Toʻqimachilik nurlari impulslarini yutadi va natijada termo-elastik kengayishga uchraydi, bu hodisa optoakustik yoki fotoakustik effekt. Ushbu kengayish ultratovush toʻlqinlarini keltirib chiqaradi (fotoechoes), ular aniqlanadi va tasvirga aylanadi. Rasmni shakllantirish apparat yordamida (masalan, akustik fokuslash yoki optik fokuslash) yoki hisoblash yordamida amalga oshirilishi mumkin tomografiya. Optoakustik tasvirlashning boshqa turlaridan farqli oʻlaroq, MSOT oʻz ichiga yorituvchi koʻp toʻlqin uzunlikdagi namuna, toʻqimadagi turli xil fotoborbsion molekulalar chiqaradigan ultratovush toʻlqinlarini aniqlashga imkon beradi. endogen (kislorodli va oksidlanishsiz gemoglobin, melanin) yoki ekzogen (koʻrish probalari, nanozarralar). Ushbu turli xil absorberlar tomonidan chiqarilgan ultratovush toʻlqinlarini spektral aralashtirish dekonvolyutsiyasi kabi hisoblash texnikasi, bu har bir emitentni maqsad toʻqimasida alohida koʻrish imkonini beradi. Shu tarzda, MSOT gemoglobin kontsentratsiyasini va toʻqimalarni oksijenatsiyasini yoki gipoksiyasini ingl. Boshqa optik tasvirlash usullaridan farqli oʻlaroq, MSOT fotonlarning tarqalishiga taʼsir qilmaydi va shu bilan biologik toʻqimalar chuqurligida yuqori aniqlikdagi optik tasvirlarni taqdim etishi mumkin.

Tomografiya-bu har qanday penetratsion toʻlqinni ishlatadigan boʻlimlar yoki boʻlimlar boʻyicha tasvirlash. Usul radiologiya, arxeologiya, biologiya, atmosfera fanlari, geofizika, okeanografiya, plazma fizikasi, Materialshunoslik, astrofizika, kvant maʼlumotlari va boshqa fan sohalarida qoʻllanadi. Tomografiya soʻzi qadimgi yunon tilidan olingan. Tomos, "tilim, bo'lim" va "yozish uchun" yoki shu nuqtai nazardan "tasvirlash uchun"."Tomografiyada ishlatiladigan qurilma tomograf deb ataladi, ishlab chiqarilgan tasvir esa tomogrammadir.

Ko'pgina hollarda, ushbu tasvirlarni ishlab chiqarish matematik protseduraga asoslangan tomografik rekonstruksiya, masalan, rentgen kompyuter tomografiyasi texnik jihatdan bir nechta proektsion rentgenografiyalardan ishlab chiqariladi. Ko'p turli xil rekonstruksiya algoritmlari mavjud. Ko'pgina algoritmlar ikkita toifadan biriga kiradi: filtrlangan orqa proektsiya (FBP) va takroriy rekonstruksiya (IR). Ushbu protseduralar aniq natijalarni beradi: ular aniqlik va hisoblash vaqti o'rtasidagi kelishuvni anglatadi. FBP kamroq hisoblash resurslarini talab qiladi, IQ esa odatda kamroq artefaktlar ishlab chiqaradi (rekonstruksiya qilishdagi xatolar) yuqori hisoblash narxida.

MRI (magnit-rezonans tomografiya), optik kogerent tomografiya va ultratovush uzatish usullari bo'lsa-da, ular odatda turli yo'nalishlardan ma'lumotlarni olish uchun transmitterning harakatini talab qilmaydi. Mrida ikkala proektsiya va yuqori fazoviy harmonikalar fazoviy o'zgaruvchan magnit maydonlarni qo'llash orqali namuna olinadi; tasvirni yaratish uchun harakatlanuvchi qismlar kerak emas. Boshqa tomondan, ultratovush va optik kogerent tomografiya qabul qilingan signalni fazoviy kodlash uchun parvoz vaqtidan foydalanganligi sababli, bu qat'iy tomografik usul emas va bir nechta tasvirni sotib olishni talab qilmaydi.

Qo'llanilishi

Multispektral optoakustik tomografiya 6 o'lchovli (6 parametrli) usul sifatida tavsiflanadi, unda uchta geometrik o'lcham (x, y, z o'qlari bo'ylab bo'shliq koordinatalari) vaqtning koordinatalari, radiatsiya to'lqin uzunliklari va ultratovush chastota diapazoni bilan qo'shiladi. MSOT o'lchovlari uzoq vaqt davomida amalga oshirilishi mumkin, bu dinamik jarayonlarni o'rganish imkonini beradi. UITPda qoʻllanadigan toʻlqin uzunligi diapazoni ultrabinafsha (UV) dan infraqizil (IQ) gacha boʻlgan butun spektrni qamrab oladi. Toʻlqin uzunligi yorugʻlikni yutuvchi zarrachalarni aniqlash mumkin boʻlgan chuqurlikni hamda ularning turini belgilaydi. Yuqori energiyali ion nurlari va radiochastota diapazonidagi nurlanishdagi radiatsiyaning boshqa turlaridan foydalanish mumkin. Ultrasonik chastota diapazonini tanlash tasvirda farqlanishi mumkin bo'lgan obyektlarning o'lchamlari bilan bir qatorda kattalik amplitudasini ham aniqlaydi. Chastota diapazonining bu tanlovi uning ruxsati 100-500 mkm va kirish chuqurligi > 10 mm bo'lgan makroskopik tasvirlash rejimi yoki 1-50 mkm o'lchamdagi va kirish chuqurligi <10 mm bo'lgan mezoskopik rejimmi ekanligini aniqlaydi. Mikroskopik rezolyutsiya multispektral optoakustika yordamida ham mumkin. Tasvirlash uchun fokuslangan yorugʻlik dastasi qoʻllanadi va taklif qilingan imkoniyatlar asosan bir xil (kirish chuqurligi <1 mm).

Bugungi kunga kelib, MSOT yurak-qon tomir tadqiqotlari, saraton ishlari tadqiqotlarini o'z ichiga olgan keng ko'lamli biologik sohalarda qo'llanilmoqda. Tasvirlash tizimlarining rivojlanishi ko'krak, tomirlar, limfa tasvirlari uchun MSOTni klinik qo'llash imkonini berdi.

Ovoz balandligi ko'rsatkichi

Ovozni ko'rsatish a ni namoyish qilish uchun ishlatiladigan texnikalar to'plamidir 2D proektsiyasi a 3D diskret namuna olingan ma'lumotlar to'plami, odatda A 3D skalar maydoni. Odatda 3D ma'lumotlar to'plami, masalan, KT, MRI yoki MicroCT skaneri tomonidan olingan 2d tilim tasvirlari guruhidir. Ular odatda odatiy naqshda olinadi (masalan, har bir millimetrda bitta bo'lak) va odatda muntazam ravishda rasm piksellarining muntazam soniga ega. Bu muntazam volumetrik panjara misoli, har bir hajm elementi yoki voksel vokselni o'rab turgan joydan namuna olish orqali olinadigan bitta qiymat bilan ifodalanadi.

.

Etimologiya

Ko'p spektrli . MSOT bir nechta to'lqin uzunliklarida tasvirlash va har bir tasvirlangan vokselda individual spektral xususiyatlarni aniqlashga asoslangan bo'lib, bu usulni multispektral qiladi. MSOT uchta tasvirni yaratish uchun ishlatiladi: bir to'lqin uzunligida nurlanish bilan olingan birinchi anatomik tasvir, ikkinchisi - oksi- va deoksihemolgodin kontsentratsiyasini ajratib turadigan funktsional tasvir va uchinchi tasvir qo'shimcha yorug'lik absorberini (s. ). Melanin, lipidlar, suv va boshqa endogen yoki ekzogen moddalar bunday qo'shimcha yorug'likni yutuvchi zarralar bo'lib xizmat qilishi mumkin. Anatomik, funktsional va molekulyar ma'lumotlarni ajratib turadigan odatiy MSOT tasvirining namunasi 1-rasmda ko'rsatilgan. 1.

Optoakustik . Bu atama optik (yunoncha optikos) va akustik (yunoncha, akustikos) energiyaning (yoki komponentlarning) bir modallikdagi kombinatsiyasini anglatadi, bu optoakustik tasvirni optikdan ajratib turadi. Fotoecho yorug'likning kombinatsiyasini anglatadi (yunoncha. Pōs) va tovush (ĉōs yoki tovushni aks ettirish/echo Huc). Fotoakustika atamasi ham keng qoʻllanadi va yorug'lik ta'sirida akustik energiya hosil qilishni anglatadi. Fotoexo va fotoakustika optoakustika uchun foton optika uchun qanday bo'lsa: optik usullar fotonlarga asoslanadi, optoakustik usullar esa fotoexo yoki fotoakustik signallarga asoslanadi.

1-rasm. UITP ning funksionalligi. O'simtada oksi- va deoksigemoglobinning ikki o'lchovli taqsimlanishi (chapda joylashgan). Ekzogen floresan agentning 2D taqsimlanishi bilan birlashtirilgan kontrastli optoakustik tasvir (o'ngda joylashgan).

Ishlash tamoyillari

UITP ning ishlash printsipi 2-rasmda ko'rsatilgan. MSOT fotoexoni, ya'ni sinov namunasining (masalan, biologik to'qimalarning) termoelastik kengayishi natijasida hosil bo'lgan ultratovush to'lqinlarini elektromagnit energiyani o'zlashtirgandan keyin aniqlaydi.Namuna nanosoniya diapazonida impulslar bilan nurlanish ta'siriga duchor bo'ladi, intensivlikni o'zgartiruvchi yorug'likdan foydalanish mumkin. Namuna tomonidan so'rilgan elektromagnit energiyaning kamida bir qismi issiqlikka aylanadi; amplituda milli-Kelvinlarda hisoblangan ushbu jarayon natijasida kuzatiladigan haroratning oshishi namunaning termoelastik kengayishiga olib keladi. Bu keng chastotali ultratovush to'lqini shaklida bosim to'lqinini hosil qiladi. Namuna tomonidan chiqarilgan ultratovush to'lqinlarini qabul qilish namunaning yonida, qoida tariqasida, uning atrofidagi bir nechta pozitsiyalarda joylashgan sensorlar yordamida amalga oshiriladi. Tovush bosimi to'lqinining amplitudasi namunadagi energiyaning mahalliy yutilishi va tarqalishi haqida ma'lumot beradi, impuls va ultratovush to'lqini detektorda qabul qilingan moment o'rtasidagi vaqt oralig'i detektor va fotoexo o'rtasidagi masofa haqida ma'lumot beradi. manba. Namuna atrofidagi bir nechta pozitsiyalarda ma'lum vaqt davomida to'plangan optoakustik ma'lumotlar namunadagi yorug'lik absorberlarining fazoviy taqsimoti tasvirlarini olish uchun tomografik qayta qurish algoritmi yordamida qayta ishlanadi. Bir to'lqin uzunligida nurlanish natijasida to'plangan ma'lumotlar ma'lum bir to'lqin uzunligida o'xshash yutilish xususiyatlariga ega bo'lgan yorug'likni yutuvchi zarrachalarning tarqalishini tasavvur qilish imkonini beradi. Ko'p to'lqin uzunliklarida nurlanishdan to'plangan ma'lumotlar oksigemoglobin, deoksigemoglobin, miyoglobin, melanin yoki ekzogen yorug'lik absorberlari kabi turli xil optik assimilyatsiya spektrlariga ega yorug'lik absorberlari o'rtasida aniq farqlash imkonini beradi. MSOTda qoʻllanadigan nurlanishning to'lqin uzunliklarini tanlash muayyan holatda o'rganish obyekti bo'lib xizmat qiladigan zarrachalarning yutilish xususiyatlari asosida amalga oshiriladi. Ba'zi individual yorug'lik absorberlarini izolyatsiya qilish uchun turli to'lqin uzunliklarida olingan tasvirlar ayirish yoki spektral dekodlash algoritmlari yordamida qo'shimcha ishlov berishdan o'tkaziladi. Kamroq qiziqish uyg'otadigan tasvirlarning fon mazmuni vaqt komponentidagi farqlar (masalan, asosiy vaqt nuqtasiga mos keladigan tasvirni olib tashlash), shuningdek, turli yorug'lik absorberlarining yutilish spektrlari (spektral parchalanish) yordamida kamaytirilishi mumkin.

Dastlabki UITP o'lchovlari

MSOT potentsiali uchta fazoviy o'lchov (x, y, z), fazo-vaqt, optik to'lqin spektri va ultratovush chastota diapazonini o'z ichiga olgan ko'p parametrli ma'lumotlarni olish imkoniyatidadir. Shu sababli, MSOT texnologiyasi olti o'lchovli modallik sifatida tavsiflangan. Bunday ko'p sonli o'lchovlarning mavjudligi lazer manbalari sohasidagi asosiy yutuqlar, ultratovushli detektorlarni loyihalashdagi yangiliklar, shuningdek, kompyuter tomografiyasi va spektral parchalanish texnikasini ishlab chiqish tufayli mumkin bo'ldi. Har bir UITP o'lchovining imkoniyatlari va maqsadlari quyida tavsiflanadi.

Ultrasonik chastotalarning turli diapazonlarida vizualizatsiya (makro-, mezo- va mikroskopiya)

Optoakustik (fotoakustik) tasvirlash tabiatan uch o'lchovli tasvirlash usuli hisoblanadi, chunki fotoexolar (optoakustik to'lqinlar) har uch fazoviy o'lchovda tarqaladi. Shunday qilib, optimal tomografik vizualizatsiya kosmosda sinov namunasini o'rab turgan to'qimalarning yopiq yuzasida joylashgan ultratovush detektorlari yordamida uzoq vaqt davomida chiqarilgan akustik bosim to'lqinlarini qabul qilish orqali erishiladi. Odatda, 3D tasvirlash tizimlari buni bitta ultratovush zond bilan namuna atrofida ketma-ket skanerlash orqali amalga oshiradi, muqobil ravishda vaqt signalini parallel ravishda olish uchun bir o'lchovli yoki ikki o'lchovli ultratovush zondlari massivlaridan foydalanadi.

3D tasvirlarni olish uchun katta hajmdagi ma'lumotlarni to'plash va qayta ishlash kerak, bu esa o'z navbatida ko'p sonli ultratovush sensorlari, uzoq skanerlash vaqtlari va yuqori hisoblash yukini talab qiladi. Murakkablik darajasini pasaytirish uchun 3D muammosi ko'pincha AQSH ma'lumotlarini faqat 2D tekisligida olishni cheklash uchun qaratilgan AQSh detektorlari yordamida kvazi-2D muammosiga soddalashtiriladi. Ma'lumotlarni yig'ish va qayta ishlashga bunday yondashuvning natijasi o'rganilayotgan obyekt (XY) kesmasining ikki o'lchovli tasvirlari seriyasidir, ularni real vaqt rejimida olish mumkin va tekislikda ancha yuqori aniqlikka ega, agar detektor elementlari tasvir tekisligi atrofida yuqori zichlikda joylashgan. Detektorni Z o'qi bo'ylab mexanik ravishda yangi joyga ko'chirish orqali u butun ovozni skanerlash imkonini beradi.

2-rasm. Volumetrik optoakustik tasvirlash va ultratovushli tasvirlar bilan taqqoslash. Ultratovush tasviri (o'ngda), optoakustika (o'rtada) uchun bir nechta bo'laklar uchun maksimal intensivlik proektsiyalari. Gistologik to'qimalarning bo'limlari chap tomonda ko'rsatilgan.

Multispektral tasvirlash

Optoakustik tasvirlash o'z rivojlanishining dastlabki bosqichlarida bir yoki ikki o'lchov bo'ylab bitta ultratovush sensori bilan skanerlashni o'z ichiga oladi, buning natijasida tasvirni olish vaqti bir necha soniya, daqiqa yoki undan ko'proq vaqtni tashkil qilishi mumkin. Bu usulni in vivo yoki klinik tadqiqotlarda hayvonlarni tasvirlash uchun amaliy bo'lmagan holga keltirdi. Ultratovush sensorlari va analog-raqamli konvertorlar massivlarini ishlab chiqishdagi texnologik yutuqlar 512 ta parallel sensorlar yordamida bir vaqtning o'zida ma'lumotlarni qabul qilish imkonini berdi, bu esa tomografik ma'lumotlarni olish uchun zarur bo'lgan vaqtni sezilarli darajada qisqartirish tezligida vizualizatsiya qilish imkoniyatini yaratdi. video oqimidan. Bundan tashqari, 20 ms ichida to'lqin uzunliklari o'rtasida almashish imkonini beruvchi, shuningdek, MSOT video tezligini ta'minlaydigan lazerlar ishlab chiqilgan. Tibbiy tasvirlash uchun video pacing nafaqat obyekt harakati natijasida yuzaga keladigan artefaktlarni kamaytiradi, balki biologik jarayonlarni in vivo jonli tekshirish imkonini beradi, shu jumladan qo'lda ultratovush transduserlari bo'lgan tizimlardan foydalanishga imkon beradi. Ushbu yuqori kadr tezligi operatorga tadqiqot uchun qiziq bo'lgan joylarni navigatsiya qilish va tezda mahalliylashtirish uchun zarur bo'lgan real vaqt rejimida fikr-mulohazalarni taqdim etadi.

Guruch. 3-rasm. Sichqoncha miyasi perfuziyasini in vivo jonli ravishda besh o'lchovda ko'rish (a) Eksperimental qurilmaning tuzilishi. (b) ikkita konsentratsiyada (10 nmol (yuqoridagi ikkinchi rasm)) va 50 nmol (uchinchi rasm) indosiyanin yashil kontakt agentini yuborishdan oldin (yuqoridagi birinchi rasm) va keyin bir to'lqin uzunligida nurlanish holati uchun maksimal intensivlikning eksenel proyeksiyalari yuqoridan)). (c) 10 nmol indosiyanin yashil in'ektsiyasidan keyin eng yuqori intensivlik proektsiyalarining vaqt seriyasi.

MSOT ning asosiy afzalligi - turli to'lqin uzunliklari yordamida lazer nurlanishiga javoban olingan fotoexolarni farqlash qobiliyati. Fotoexo xususiyatlari o'rganilayotgan to'qimadagi molekulalarning optik yutilish xususiyatlariga bog'liq bo'lganligi sababli, MSOT ma'lum yorug'lik yutuvchi molekulalarning tarqalishini vizualizatsiya qilish imkonini beradi. Ko'rishning eng keng tarqalgan maqsadlari - kislorod va deoksi-gemoglobin, kislorod almashinuvining asosiy komponentlari, miyoglobin, lipidlar, melanin va suv kabi endogen yorug'lik absorberlari. MSOTda bir nechta ekzogen kontrast moddalar, jumladan, gistologiyada bir nechta keng tarqalgan bo'yoqlar, lyuminestsent bo'yoqlar, eng so'nggi metallga asoslangan vositalar va metall bo'lmagan nanozarrachalar ishlatilgan. Kontrast moddalarni in situ amalga oshirish uchun muxbir genlarini to'qimalarga o'tkazish ham manbalarda tasvirlangan, masalan, melanin ishlab chiqarish uchun tirozinaza genini transfeksiya qilish.

Fotoexolar ultra keng chastota diapazonini namoyish etadi, bu chiqarilgan pulsning kengligi va o'rganilayotgan obyektning o'lchami bilan belgilanadi. Keyingi tasvirni qayta tiklash uchun to'planishi va qayta ishlanishi mumkin bo'lgan chastotalar diapazonini aniqlashda hal qiluvchi omil AQSh detektorining turi hisoblanadi. Makroskopiya sohasidagi MSOT uchun odatda 0,1 dan 10 MGts gacha chastota diapazonida ishlaydigan detektorlar qoʻllanadi, bu taxminan 1-5 sm tasvir chuqurligini va 0,1-1 mm o'lchamlarini ta'minlaydi. Emissiya to'lqin uzunliklari odatda spektrning IQga yaqin mintaqasidan tanlanadi va to'qimalarga chuqur kirib borishi uchun nurning namuna orqali tarqalishiga imkon beradi. Keyin tasvirlar kompyuter tomografiyasi usuli yordamida yaratiladi. MSOT ning shunga o'xshash makroskopik rejimi to'qimalar anatomiyasi, fiziologiyasi va dori reaktsiyasini tahlil qilish uchun hayvonlar va odamlarni tasvirlash uchun ishlatiladi. Odatda, qiziqish zonasi 200-300 mikron o'lchamlari bilan taxminan 30-50 sm3 ni tashkil qiladi.

Kompyuter tomografiya (KT) va magnitli-rezonans tomografiyaning (MRT) yaratilishi tibbiyot uchun olamshumul voqea bo‘ldi. Ushbu zamonaviy diagnostika usullari XX asrning 90-yillari tibbiyotga kirib keldi. Bunday ixtiro mualliflari Nobel mukofotiga haqli ravishda sazovor bo‘lishdi. KT va MRT tekshiruvlaridan tibbiy diagnostikaning har qanday yo‘nalishida foydalanish mumkin. Ayniqsa, KT va MRT nevrologiyada juda katta ahamiyatga ega. Biroq…

Baʼzi bemorlar vrach tavsiyasi bo‘lmasa-da, bosh miyasini KT yoki MRT qildirib yurishadi. U yerdagi „atrofiya“ yoki „ensefalopatiya“ so‘zlarini o‘qib vahimaga tushishadi. Bu holatlar haqida kitobda maʼlumot berganmiz.

Kompyuter tomografiyasi (odatda kompyuter tomografiyasi deb qisqartiriladi; ilgari aksial kompyuterli tomografiya yoki AKT skanerlash deb ataladi) tananing batafsil ichki tasvirlarini olish uchun ishlatiladigan tibbiy tasvirlash usulidir. Kompyuter tomografiyasini oʻtkazadigan xodimlarga radiograflar yoki radiologiya texnologlari deyiladi.

KT skanerlari tananing turli toʻqimalari tomonidan rentgen nurlanishining zaiflashishini oʻlchash uchun aylanadigan rentgen trubkasi va gentriga joylashtirilgan bir qator detektorlardan foydalanadi. Keyin turli burchaklardan olingan bir nechta rentgen oʻlchovlari tomografik (kesimdagi) tasvirlarni (virtual „boʻlaklar“) ishlab chiqarish uchun tomografik rekonstruksiya algoritmlari yordamida kompyuterda qayta ishlaydi. Magnit-rezonans tomografiya (MRI) kontrendikedir boʻlgan metall implantlar yoki yurak stimulyatori boʻlgan bemorlarda kompyuter tomografiyasidan foydalanish mumkin.