Photoakustische Bildgebungstechnologie
Ein neues Bildgebungsverfahren für die Dermatologie
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Das photoakustische Messprinzip
Ein lebender Körper wird mit Lichtpulsen beleuchtet. Ein Lichtabsorber – wie eine Blutzelle – absorbiert dann die Lichtenergie selektiv, wird adiabatisch ausgedehnt und erzeugt thermoelastische Wellen (Bild 2). Durch das Detektieren der thermoelastischen Wellen mit Sensoren kann die Verteilung des Absorbers inklusive akkurater Tiefeninformation visualisiert werden.
In einem Bildgebungsverfahren, das nur Licht verwendet, detektieren Sensoren das reflektierte Licht. Das Bild ist aufgrund der starken Lichtstreuung durch lebendes Gewebe auf eine Tiefe von circa 1 mm beschränkt. Da die photoakustische Bildgebung jedoch die Ultraschallwellen detektiert, die vom Lichteinfall erzeugt wurden, beeinflusst die Auswirkung der Lichtstreuung nur den halben Weg. Daher kann eine verbesserte Messtiefe im Vergleich zu optischen Bildgebungswerkzeugen erzielt werden.
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Photoakustische Bildgebungssysteme können im Allgemeinen in zwei Gruppen (Tabelle 2) aufgeteilt werden: photoakustische Tomografie (PAT) und photoakustische Mikroskopie (PAM). PAT erzielt Echtzeittomografiebilder unter Verwendung von Array-Sensoren, wie sie allgemein in Ultraschalldiagnosesystemen verwendet werden. Dadurch ist dieses Verfahren hoch kompatibel mit Ultraschalldiagnosesystemen. Im Gegensatz dazu hat das PAM-Verfahren das einzigartige Merkmal, dass es hochauflösende 3D-Bilder erzeugen kann. PAM verwendet verschiedene Techniken, um die laterale Bildauflösung zu verbessern. Bei der optischen Auflösungs-PAM (OR-PAM) wird der Laserstrahl mittels einer Linse oder ähnlichem fokussiert, um die räumliche Auflösung zu verbessern. OR-PAM hat eine feine räumliche Auflösung, aber eine eingeschränkte Tiefenmessung aufgrund der Lichtstreuung durch lebendes Gewebe. Bei der akustischen Auflösungs-PAM (AR-PAM) werden hingegen empfangene Ultraschallwellen konvergiert, um die räumliche Auflösung zu verbessern.
Die AR-PAM gestattet eine Messung in tieferen Bereichen als mit der OR-PAM, ist aber in Bezug auf die räumliche Auflösung schlechter. OR-PAM und AR-PAM ergeben keine Echtzeitbilder, da mit dem Sensor ein Gebiet abgetastet wird, um Bilder zu erfassen. Um diese Lücke zu schließen, wird ein neues PAM-Verfahren erforscht und entwickelt, in dem ein 2D-Array-Sensor verwendet wird. Dieser soll 3D-Bilder mittels Phasenanpassung erhaltener Signale rekonstruieren. Da das Gebiet hier nicht abgetastet werden muss, kann eine Echtzeit-Bildgebung erreicht werden. Dennoch gibt es noch Probleme, die geklärt werden müssen. Insbesondere ist die Struktur des Mehrkanalsensors so kompliziert, dass seine Kosten einen großen Anteil der Gesamtkosten des Systems ausmachen.
Die Intensität der Ultraschallwelle, die durch die photoakustische Bildgebung erzeugt wird, ist proportional zur Pulsenergie. Ultraschallwellen können effektiv durch Erhöhen der Pulsenergie erfasst werden, indem eine große Lichtquelle verwendet wird. Die obengenannten PAT- und Echtzeit-3D-PAM-Verfahren verwenden beide eine Lichtquelle mit hoher Pulsenergie. Eine Vergrößerung der Lichtquelle würde jedoch deutlich die Größe und den Preis des Geräts beeinflussen. Die maximale zulässige Exposition (MPE) ist als der Sicherheitsstandard der Lichteinstrahlung auf menschliche Haut durch IEC definiert. MPE ist als der maximale akkumulierte Wert der Dichte der Pulsenergie in der Haut für jede Expositionsdauer definiert. Bei OR-PAM und AR-PAM wird eine Lichtquelle mit hoher Wiederholungsfrequenz verwendet, da die Abtastzeit die Messzeit beeinflussen kann. Aber jede Pulsenergie ist begrenzt, um sicherzustellen, dass sie die MPE nicht überschreitet.
Im Jahr 2015 brachte Advantest das photoakustische Mikroskop Hadatomo (Bild 3) zur Bildgebung von Blutgefäßen in der Haut auf den Markt. Hadatomo kann Informationen in einem Bereich von 4 × 4 mm2 oder 8 × 8 mm2 und bis zu einer Tiefe von 3 mm bereitstellen, um die Verteilung von Blut in allen Hautschichten nicht invasiv zu visualisieren. Die Lichtquelle ist ein Nd:YAG-Laser (Wellenlänge: 532 nm; Pulsdauer: unter 2 ns; Wiederholungsrate: 1000 Hz).
Die Pulsenergie liegt unter 37 μJ, was die MPE erfüllt. Hadatomo verwendet die Schaltkreistechnologie von Advantest als Messtechnik. Diese Technik ermöglicht die Aufnahme von schwachen Ultraschallwellen und die kombinierte Verwendung einer Lichtquelle mit geringer Pulsenergie und hoher Wiederholung, wodurch die Messzeit verkürzt wird. Eine kleine Lichtquelle gestattet den Aufbau eines mobilen Systems und sein flexibler Arm ermöglicht die Analyse von schwer erreichbaren Bereichen. Es wird erwartet, dass Hadatomo als neues Werkzeug für die Hautbeurteilung in der regenerativen Medizin eingesetzt werden wird.
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