Федеральное агентство по образованию

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет  имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра иностранных языков

Synopsis

          Photoacoustic imaging in biomedicine

            Метод фотоакустической визуализации в биомедицине

Руководитель                                                                                И.В. Филатова

Студент 2 курса                                                                     М.С.Починщикова

      Екатеринбург 2011

      Photoacoustic imaging in biomedicine

      Photoacoustic imaging, as a hybrid biomedical imaging modality, is developed based on the photoacoustic effect. In photoacoustic imaging, non-ionizing laser pulses are delivered into biological tissues (when radio frequency pulses are used, the technology is referred to as thermoacoustic imaging). Some of the delivered energy will be absorbed and converted into heat, leading to transient thermoelastic expansion and thus wideband (e.g. MHz) ultrasonic emission. The generated ultrasonic waves are then detected by ultrasonic transducers to form images. It is known that optical absorption is closely associated with physiological properties, such as hemoglobin concentration and oxygen saturation.^[2] As a result, the magnitude of the ultrasonic emission (i.e. photoacoustic signal), which is proportional to the local energy deposition, reveals physiologically specific optical absorption contrast. 2D or 3D images of the targeted areas can then be formed.^[3] Fig. 1 is a schematic illustration showing the basic principles of photoacoustic imaging.

      

      Fig. 1. Schematic illustration of photoacoustic imaging.

      Recent studies have shown that photoacoustic imaging can be used in vivo for tumor angiogenesis monitoring, blood oxygenation mapping, functional brain imaging, and skin melanoma detection etc.

      Imaging systems

      Two types of photoacoustic imaging systems, photoacoustic/thermoacoustic computed tomography (also known as photoacoustic/thermoacoustic tomography, i.e., PAT/TAT) and photoacoustic microscopy (PAM), have been developed. A typical PAT system uses an unfocused ultrasound detector to acquire the photoacoustic signals, and the image is reconstructed by inversely solving the photoacoustic equations. A PAM system, on the other hand, uses a spherically focused ultrasound detector with 2D point-by-point scanning and requires no reconstruction algorithm.

      Biomedical applications of PAT/TAT

      One of the major difficulties in diagnosing diseases like cancer is our inability to see inside the body accurately and inexpensively. MRI is great, but it's expensive and has relatively low resolution; while X-ray imaging had higher resolution, but it comes with dangers. Good old ultrasound is the happy medium, providing pretty good value for money in terms of resolution, safety, and cost.

      Photoacoustic imaging represents a sort of "best of both" approach to imaging. The basic process is that a relatively powerful pulse of light is sent into some part of the body. Wherever it is absorbed—and only small amounts of light are absorbed in any particular place, so it is safe—it generates heat, as its target expands and generates a small acoustic pressure wave. By picking up these sound waves with microphones, an image of the absorbing structures can be built up.

      Intrinsic optical/microwave absorption contrast and diffraction-limited high spatial resolution of ultrasound make PAT and TAT promising imaging modalities for wide biomedical applications.

        Brain lesion detection

      

      Fig. 2. PAT imaging of rat brain lesion in situ.

      Soft tissues with different optical absorption properties in the brain can be clearly identified by PAT. For example, the absorption contrast between the lesion area and the background parenchyma is significant as shown in Fig. 2(a). Fig. 2(b) is the corresponding open-skull photograph after experiment.

     Hemodynamics monitoring

      Since HbO₂ and Hb are the dominant absorbing compounds in biological tissues in the visible spectral range, multiple wavelength photoacoustic measurements can be used to reveal the relative concentration of these two chromophores. Thus, the relative total concentration of hemoglobin (HbT) and the hemoglobin oxygen saturation (sO₂) can be derived. Therefore, cerebral hemodynamic changes associated with brain function can be successfully detected with PAT.

     Breast cancer diagnosis

      

      Fig. 7. Thermoacoustic image of a mastectomy specimen.^[10]

      By utilizing low scattered microwave for excitation, TAT is capable of penetrating thick (several cm) biological tissues with less than mm spatial resolution. Since the cancer tissue and normal tissue have very different response to radio frequency, TAT has great potential in early breast cancer diagnosis. Fig. 7 shows the TAT image of a mastectomy specimen, where malignant breast tissue generates a much stronger thermoacoustic signal than the surrounding benign tissue due to its high microwave absorption.

      Photoacoustic microscopy (PAM)

      Fig. 8 shows a representative PAM set-up. A tunable dye laser is pumped by a Q-switched pulsed Nd:YAG (neodymium: yttrium aluminum garnet) laser. A short laser pulse at a certain wavelength between 532-770 nm is generated to irradiate the target tissue to induce acoustic pressure waves. Laser pulses of ~6 mJ/cm² at the focus will be delivered at 10 Hz repetition rate. An optical fiber of 0.6 mm core diameter is coaxially positioned on a three-dimensional mechanical stage with changeable ultrasound transducers between 25-75 MHz.

        

      Fig. 8. Experimental set-up of dark field reflection mode PAM system.

      

      Fig. 9. Multi-wavelength PAM imaging for blood oxygenation mapping of rat skin.

      

      Fig. 10. Multi-wavelength PAM imaging for in vivo melanoma detection.

      The imaging depth of PAM is mainly limited by the ultrasonic attenuation. The spatial and lateral resolutions depend on the ultrasound transducer used. An ultrasound transducer with high central frequency and broader bandwidth are chosen to obtain high axial resolution. The lateral resolution is determined by the focal diameter of the transducer. For instance, a 50 MHz ultrasound transducer provides 15 micrometre axial and 45 micrometre lateral resolution with ~3 mm imaging depth.

      PAM has multiple important applications in functional imaging. Two examples are shown in Figs. 9 and 10. PAM can detect changes in oxygenated/deoxygenated hemoglobin in small vessels. As shown in Fig. 9, arterioles (red) and venules (blue) are clearly delineated with high spatial resolution. Fig. 10 shows the capability of PAM to image skin melanoma by using dual wavelength to obtain the morphological relationship between the melanoma and its surrounding blood vessels structures in vivo. Photoacoustic tomography

      Photoacoustic imaging beyond our wildest dreams

      So far, so cool. You need to choose something that is in every cell to provide contrast. How about DNA or RNA? That works, but you need to use UV light, which means that it doesn't travel very far through tissue before it is absorbed. So this is useful for imaging excised samples without staining them. Вy choosing the correct wavelength of light, he can selectively image DNA and RNA and get resolutions that are sub-cellular.

      That is what makes photoacoustic imaging so different from any of the standard medical imaging techniques. Using the same basic apparatus researcher get images that have detail resolution appropriate to a huge range of samples, from entire organs down to individual cells. No other technique can do that.

 

Метод фотоакустичекой  визуализации в биомедицине 

      Метод фотоакустичекой  визуализации  –  это гибрид биомедицинских методов получения изображения, разработанный на основе  фотоакустического эффекта. В фотоакустичекой  визуализации пульсации неионизирующего лазера  проникают в биологическую ткань (когда используются пульсации радиочастотного диапазона, технология называется термоакустической визуализацией). Часть поступившей энергии поглощается и переходит в тепло, что приводит к термоакустическому расширению, а затем к испусканию ультразвуковых колебаний в широком диапазоне частот (порядка МГц). Образованные ультразвуковые волны детектируются ультразвуковым преобразователем, и формируется изображение. Известно, что оптическое поглощение тесно связано с такими физиологическими свойствами,  как концентрация гемоглобина и насыщение крови кислородом. В результате величина ультразвуковых колебаний (или фотоакустический сигнал), которая пропорциональна  поступившей энергии, отображает специфические физиологические свойства вещества в зависимости  от его оптических свойств. Двухмерное или трехмерное изображение исследуемой области может быть сформировано. На рис.1 схематически показаны основные принципы  фотоакустичекой  визуализации.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис.1. Схема метода  фотоакустичекой  визуализации.

     Недавние  исследования показали, что фотоакустичекая  визуализация может быть использована  in vivo (в естественных условиях) для мониторинга кровоснабжения опухоли, отображения процесса оксигенации крови и детектирования кожных меланом.

     Система визуализации

     Разработано два типа систем фотоакустичекой  визуализации, это фотоакустическая/термоакустическая компьютерная томография (также известная как фотоакустическая/термоакустическая томография, т.е. ФАТ, ТАТ) и фотоакустическая микроскопия (ФАМ). В типичной ФАТ системе используется не сфокусированный ультразвуковой детектор, собирающий фотоакустический сигнал, и изображение реконструируется решением обратных фотоакустических уравнений. ФАМ  системы, напротив, используют  сферически сфокусированный ультразвуковой детектор с двухмерным сканированием точка за точкой, и не требующий реконструирующих алгоритмов.

     Биомедицинское  применение ФАТ/ТАТ

     Одна  из главных трудностей в диагностике  заболеваний, таких как рак, это  отсутствие возможности увидеть  то, что внутри тела, с достаточной  точностью и с небольшими материальными затратами.   МРТ великолепна, но это дорогая диагностика, и ее разрешение относительно невысокое; Рентгеновская диагностика дает хорошее разрешение, но она связана с опасностью для организма. Старый добрый ультразвук - это золотая середина, он обеспечивает хорошее соотношение цена/качество по характеристикам разрешения и по безопасности и стоимости исследования.

     Фотоакустичекая  визуализация представляет собой «лучшее  из двух» способов визуализации. В  основе процесса лежит то, что относительно мощный импульс света направляется в некоторые части тела. Там он поглощается – но только малая часть света поглощается в конкретном участке тела, поэтому метод безопасен – генерируется тепло, затем нагретый участок расширяется и генерирует акустические волны с малым давлением. Эти звуковые волны детектируются микрофонами, и изображение поглощающих структур может быть построено.                                                                                                              

     Различное внутреннее поглощение оптических волн в микроволновом диапазоне и высокое пространственное разрешение, ограниченное дифракцией, делают ФАТ и ТАТ многообещающим методом для многих биомедицинских исследований. 

     Обнаружение повреждений мозга

      

      Рис.2.ФАТ изображение повреждений мозга крысы in situ.

     Мягкие  ткани мозга с различными поглощающими свойствами  могут четко просматриваться  с помощью ФАТ. Например, оптический контраст между поврежденной областью и остальной частью мозга является различимым,  как видно из рис. 2(а). Рис.2(b) соответствует фотографии открытого черепа крысы после эксперимента. 

     Гемодинамический  мониторинг

      Поскольку HbO₂ и Hb это главные поглощающие компоненты  биологической ткани в видимом спектральном диапазоне, в фотоакустических измерениях можно  использовать несколько  длин волн для выявления относительной концентрации этих двух хромофоров. Это позволяет определить относительную  суммарную концентрацию гемоглобина (HbT) и оксигемоглобина (sO₂). Поэтому церебральные гемодинамические изменения, связанные с функционированием мозга, можно успешно обнаруживать с помощью ФАТ.

     Диагностика рака груди

      

      Рис.3. Термоакустическое изображение мастэктомического образца.

        При использовании  слабо рассеивающегося  микроволнового излучения для  возбуждения, ТАТ способна визуализировать  тонкие слои биологической ткани  (порядка нескольких сантиметров)  с менее чем миллиметровым пространственным разрешением. Поскольку раковые ткани и нормальные ткани дают разный ответ на радиочастоту, ФАТ имеет большой потенциал в ранней диагностике рака груди. На рис.3 изображен мастэктомический образец,  на котором злокачественные ткани порождают более сильный термоакустический сигнал, чем окружающие ткани, что связано с их высокой поглощающей способностью.

     Фотоакустическая  микроскопия (ФАМ)

        На рис. 4 представлена ФАМ установка.  Лазер с настраиваемой длинной  волны  работает в режиме  модуляции добротности, в качестве активной среды используется алюмоиттриевый гранат  с добавками неодима (Nd: YAG лазер). Генерируется короткий лазерный пучок с определенной длиной  волны между 532-770 нм для облучения ткани-мишени, чтобы вызвать  в ней акустические колебания. Лазерные импульсы   с энергией  ~6 мДж/см2 в фокусе доставляются с частотой повторения 10 Гц. Оптическое волокно с диаметром сердцевины 0,6 мм расположено коаксиально с ультразвуковым преобразователем  (диапазон измерений которого 25-75 МГц)  на трехмерной механической платформе.

      Рис.4. Экспериментальная установка для  визуализации методом ФАМ.

      

      Рис.5. Многоволновая ФАМ визуализация для отображения оксигенации кожи крысы.

      

      Рис. 6. Многоволновая ФАМ визуализация для отображения меланомы in vivo. 

      Глубина ФАМ визуализации главным образом  ограничена затуханием ультразвука. Пространственное и боковое разрешение зависят  от используемого ультразвукового  преобразователя. Для получения  высокого аксиального разрешения выбирают ультразвуковой преобразователь с высокой центральной частотой и широкой пропускной способностью. Латеральное разрешение определяется фокальным диаметром преобразователя. Например,  для 50 МГц  ультразвуковой преобразователь обеспечивает 15 мкм аксиальное и 45 мкм латеральное разрешение с глубиной изображения ~3 мм.

      ФАМ имеет множество важных применений в функциональной визуализации. Два  примера приведены на рис.5 и 6. ФАМ  может обнаруживать изменения в  оксигенации/диоксигенации гемоглобина  в малых сосудах. Как показано на рис.9, артериолы (красные) и венулы (синие) четко разграничены с высоким пространственным разрешением. Рис.6 демонстрирует возможности ФАМ в визуализации меланомы кожи с использованием двух длин волн для получения морфологических отношений между меланомой и прилегающих к ней сосудистых структур in vivo (в естественных условиях).

      Фотоакустическая  визуализация и наши самые смелые мечты

      Чем дальше, тем лучше. Нужно что-нибудь найти, что обеспечит контраст каждой клетки. Как насчет ДНК и РНК? Это работает, но нужно использовать ультрафиолетовый свет. Но УФ свет не проникает глубоко в ткани, поскольку весь поглощается в верхних слоях. Так что это подходит для изучения вырезанных образцов, без их дополнительного окрашивания. Выбирая подходящую длину волны, мы можем разделить изображения ДНК и РНК и получить разрешение на субклеточном уровне.

      Это то, что делает фотоакустическую визуализацию настолько отличающейся от стандартных  техник медицинской визуализации.

      Используя основные виды аппаратуры, исследователь может  получать  изображения с детальным разрешением для огромного количества образцов: от внутренних органов до отдельных клеток. Ни одна другая техника не позволяет делать  это.

   Глоссарий

1. Photoacoustic imaging – фотоакустическая визуализация

2. Photoacoustic computed tomography – фотоакустическая компьютерная томография

3. Photoacoustic microscopy – фотоакустическая микроскопия

4. Ultrasonic emission – распространение ультразвука

5. Ultrasonic waves – ультразвуковые волны

6. Ultrasonic transducer – ультразвуковой датчик

7. Photoacoustic signal  - фотоакустический сигнал

8. Wideband – широкополосный

9. Magnitude – величина

10.   Tumor – опухоль

11.   Angiogenesis monitoring – мониторинг ангиогенеза

12.   Energy deposition – энергетический вклад

13. Spatial resolution – пространственное разрешение

14. Optical absorption properties – свойства оптического поглощения

15. Optical absorption contrast – контраст оптического поглощения

16. Lesion area – поврежденная область

17. Open-skull – открытый череп

18. Measurement – измерение

19.   Total concentration – суммарная концентрация

20.   Hemoglobin oxygen saturation – сатурация гемоглобина

21. Cortical surface – поверхность коры

22. Successfully detected – успешно обнаружены

23. Whisker stimulation – слабая стимуляция

24. Excitation - возбуждение

25. Utilize - использовать

26.   Tunable dye laser – лазер с настраиваемым цветом

27.   Wavelength – длина волны

28. Irradiate - облучать

29. Low scattered microwave – слабо рассеянные микроволны

30. Induce acoustic pressure waves

31. Repetition rate – частота повторения

32. Optical fiber – оптическое волокно

33.   Attenuation - затухание

34. Clearly delineated – четко разделены

35. Surrounding blood vessels structures – окружающая сосудистая структура

36. Morphological relationship – морфологическое отношение

37.   Good value for money – хорошее соотношение цены и качества

38.   Benign – доброкачественная

39.   Transient thermoelastic expansion – переходное термоупругое расширение

40. Radio frequency - радиочастота

41. Oxygen saturation – насыщение кислородом

42.   Point-by-point scanning – сканирование точка за точкой

43.   Reconstruction algorithm – реконструирующий алгоритм

44.   Malignant -  злокачественная

45. Imaging depth – глубина визуализации

46. Axial resolution – аксиальное разрешение

47. Lateral resolution – латеральное разрешение

48. Signal-to-noise ratio – отношение сигнал/шум

49.   Diffraction-limited images – визуализация, ограниченная дифракцией

50.   Entire organ – целый орган

51.   Excised sample – вырезанный образец

52. Solid angle – телесный угол

53.   Overlapped region – перекрывающиеся области

54.   Backward-mode – обратный режим

55. To deteriorate significantly – значительно ухудшаться

56.   Light scattering – рассеяние света

57. Distribution of light – распространение света

58.   Sound velocity – скорость звука

59.   Inhomogeneity - неоднородность

60. Sampling rate – частота выборки

61.   Acquire – достигать

62. Accuracy – точность

63.   Delay – задержка

64.   Ease of display – простота отображения

65.   Cross-sectional view – поперечное сечение

66.   Immerse – погружать

67.   Digital oscilloscope – цифровой осциллограф

68. Broadband amplifier – широкополосный усилитель

69.   Evaluate the efficacy – оценить эффективность

70.   Dashed line – штрихованная линия

71.   Proposed technique – предложенная методика

72.   Exhibit – показывать

73.   Suppress – подавлять

74.   Background noise – фоновый шум

75.   Approve – одобрять

76.   Scalp – кожа черепа

77.   Radiation pattern – диаграмма направленности

78.   Assume – считать

79.   Data acquisition time – время сбора данных

80.   Endogenous molecule – эндогенные молекулы

81.   Near infrared region – ближний инфракрасный диапазон

82.   Tissue – ткань

83. Visualize blood vessels – визуализация сосудов

84. Сortical surface – корковая поверхность

85.   Chromophore – хромофор

86.   Cerebral hemodynamic changes - изменения мозговой гемодинамики

87.   Vascular pattern – сосудистый рисунок

88.   Superficial layer – поверхностный уровень

89.   Intact – неповрежденный

90.   Mastectomy specimen – мастэктомический лоскут

91.   Bandwidth – пропусканная способность

92.   Spherical shells – сферические оболочки

93.   Delayed signal – задержанный сигнал

94.  Received signal – принимаемый сигнал

95.  Scan line – линия сканирования

96.  Angular extent – угловая мера

97.  Distribution of light – распространение света

98.  Out-of-focus region – вне сфокусированной области

99.  Сoherence factor – фактор когерентности

100. Weighting factor – весовой множитель

101. Focusing quality – качество фокусировки

102. Vertical axis – вертикальная ось

103. Bottom – нижняя часть

104. Precision – точность

105. Сoncave lens – вогнутая линза

106. Incident energy density – плотность падающей энергии

107. Scalable –масштабируемый

108. Pulsewidth – длительность импульса

109. Stress relaxation time – время релаксации напряжения

110. Internal source distribution – внутренне распределение источников

111. Laser beam – лазерный пучок

112. Excitation source – источник возбуждения

113. In vivo – в естественных условиях

114. Establish – устанавливать

115. Derive – получать

116. Large-numerical-aperture – большая численная апертура

117. Breast tumor - опухоль молочной железы

118. Trade-off – компромисс

119. Focusing quality – качество фокусировки

120. Three-dimensional – трехмерный

References

1.  Zhang, H. F. et al. (2006). "Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging". Nature Biotechnology 24 (7): 848–851. doi:10.1038/nbt1220. PMID 16823374.
2. A. Grinvald et al. (1986). "Functional architecture of cortex revealed by optical imaging of intrinsic signals". Nature 324 (6095): 361–364. doi:10.1038/324361a0. PMID 3785405.
3. M. Xu and L.H. Wang (2006). "Photoacoustic imaging in biomedicine". Review of Scientific Instruments 77: 041101. doi:10.1063/1.2195024.
4. L.H. Wang and H.I. Wu (2007). Biomedical Optics. Wiley. ISBN 9780471743040.
5. M. Xu et al. (2005). "Universal back-projection algorithm for photoacoustic-computed tomography". Physical Review E 71 (1): 016706. doi:10.1103/PhysRevE.71.016706.
6. X. Wang, et al. (2006). "Non-invasive imaging of hemoglobin concentration and oxygenation in the rat brain using high-resolution photoacoustic tomography". Journal of Biomedical Optics 11 (2): 024015. doi:10.1117/1.2192804. PMID 16674205.
7. X. Jin, et al. (2006). "Thermoacoustic tomography with correction for acoustic speed variations". Physics in Medicine and Biology 51 (24): 6437–6448. doi:10.1088/0031-9155/51/24/010. PMID 17148827.
8. X. Wang, et al. (2003). "Non-invasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional imaging of the brain in vivo". Nature Biotechnology 21 (7): 803–806. doi:10.1038/nbt839. PMID 12808463.
9. G. Ku, et al. (2005). "Thermoacoustic and photoacoustic tomography of thick biological tissues toward breast imaging". Technology in Cancer Research and Treatment 4 (5): 559–566. PMID 16173826.
10. Zhang, H. F. et al. (2007). "Imaging of hemoglobin oxygen saturation variations in single vessels in vivo using photoacoustic microscopy". Applied Physics Letters 90: 053901. doi:10.1063/1.2435697.
11. Photoacoustic imaging in biomedicine. Review Article. Review of Scientific Instruments, 77, Article Number 041101 (2006).
12. Photoacoustic tomography using a Mach-Zehnder interferometer as an acoustic line detector. Applied Optics, 46, pp. 3352-3358 (2007).