Fotoakoestische beeldvorming, een techniek om levende materialen te onderzoeken door het gebruik van laserlicht en ultrasone geluidsgolven, heeft veel potentiële toepassingen in de geneeskunde vanwege het vermogen om alles te laten zien, van organen tot bloedvaten tot tumoren.

Lihong Wang van Caltech, een pionier op het gebied, heeft varianten van fotoakoestische beeldvorming ontwikkeld die organen in realtime kunnen laten bewegen, ontwikkel driedimensionale (3D) afbeeldingen van interne lichaamsdelen, en zelfs kankercellen te onderscheiden van gezonde cellen.

Wang, Bren Hoogleraar Medische Technologie en Elektrotechniek, heeft nu verder geavanceerde fotoakoestische beeldtechnologie met wat hij noemt Photoacoustic Topography Through an Ergodic Relay (PATER), die tot doel heeft de apparatuur die nodig is voor beeldvorming van dit type te vereenvoudigen.

Om uit te leggen hoe PATER werkt, wat achtergrondinformatie is nodig. Fotoakoestische beeldvorming werkt door een puls van laserlicht in het te onderzoeken weefsel te sturen. Als het licht moleculen in het weefsel raakt, het zorgt ervoor dat ze trillen, het creëren van ultrasone golven die door het weefsel reizen totdat ze worden opgepikt door een soort sensor, een transducer genaamd, die tegen het oppervlak van het weefsel wordt gedrukt. De signalen die door de transducers worden gedetecteerd, worden door een computer verwerkt om een ​​beeld te creëren van de interne structuur van het weefsel.

Dit systeem werkt, maar om een ​​duidelijk beeld te krijgen, meerdere sensoren nodig. Eén iteratie van de technologie maakt gebruik van 512 sensoren die allemaal tegelijk tegen het weefsel moeten worden gedrukt.

"Elk punt op het oppervlak moet worden bedekt door een reeks transducers, en dat is nogal duur om te bouwen, ", zegt Wang. "We denken erover na hoe we ons systeem goedkoper kunnen maken, en draagbaar. Het is moeilijk om een ​​array compact genoeg te maken om te dragen."

Door het systeem goedkoper en compacter te maken, zijn er minder sensoren nodig, maar dat zou het moeilijk maken om voldoende gegevens te verzamelen om een ​​afbeelding te ontwikkelen. Nutsvoorzieningen, Wang en zijn onderzoeksteam hebben een workaround gevonden:een zogenaamd ergodisch relais.

Bij informatica, er zijn twee manieren om gegevens te verzenden:serieel en parallel. Bij seriële transmissie, de gegevens worden in één stroom via één communicatiekanaal verzonden. Bij parallelle transmissie, meerdere gegevens worden tegelijkertijd verzonden via meerdere communicatiekanalen.

De twee soorten communicatie zijn ongeveer analoog aan de manier waarop kassa's in een winkel kunnen worden gebruikt. Seriële communicatie zou zijn als het hebben van één kassa. Iedereen gaat in dezelfde rij staan ​​en ziet dezelfde kassier. Parallelle communicatie zou zijn als het hebben van meerdere registers en een regel voor elk.

Het systeem dat Wang ontwierp met 512 sensoren is vergelijkbaar met de winkel met veel kassa's. Alle sensoren werken tegelijkertijd, waarbij elk een deel van de gegevens over de ultrasone trillingen die door de laserpuls worden gegenereerd, opneemt.

Aangezien de ultrasone trillingen van het systeem in één korte uitbarsting komen, een enkele sensor zou overweldigd zijn als hij zou worden gebruikt om te proberen alle gegevens in die korte tijd te verzamelen. Dat is waar het ergodische relais binnenkomt.

Zoals Wang het beschrijft, een ergodisch relais is een soort kamer waarrond geluid kan weerklinken. Wanneer de ultrasone trillingen door het ergodische relais gaan, ze zijn uitgerekt in de tijd. Om terug te keren naar de metafoor van de kassa:het zou zijn alsof een andere medewerker de enige kassier helpt door de klanten te vertellen een paar rondjes door de winkel te lopen totdat de kassier klaar is om ze te zien, zodat de kassier niet overweldigd wordt.

Wang zegt dat deze eerste versie van het PATER-systeem in staat is om 2D-beelden te genereren, maar nog geen 3D-beelden kan genereren zoals sommige van zijn andere foto-akoestische systemen. Hij voegt eraan toe dat het systeem, wanneer volwassen, kan ook nuttig zijn voor andere medische doeleinden dan alleen het afbeelden van weefsels en lichaamsstructuren.

"We zouden het misschien kunnen gebruiken voor het meten van glucosespiegels van diabetespatiënten als we de golflengte van licht gebruiken dat door glucose wordt geabsorbeerd, ' zegt hij. 'Misschien kunnen we lipidenpanels gebruiken? We kunnen allerlei chemicaliën waarnemen als we het systeem afstemmen op deze moleculen."

Het document waarin de technologie wordt beschreven, getiteld "Snapshot foto-akoestische topografie via een ergodisch relais voor high-throughput beeldvorming van optische absorptie, " verschijnt in het nummer van 20 januari van Natuurfotonica .