Kwantitatieve foto-akoestische tomografie (QPAT) is een medische beeldvormingstechniek die lasergeïnduceerde foto-akoestische signalen en ultrasone detectie combineert om gedetailleerde driedimensionale beelden van biologische weefsels te creëren. Het proces omvat het bestralen van biologische weefsels met korte laserpulsen. Deze pulsen worden geabsorbeerd door lichtabsorberende moleculen (chromoforen) in de weefsels, wat leidt tot snelle verwarming en het genereren van ultrasone golven of akoestische signalen.

De resulterende verdeling van de akoestische druk wordt in de loop van de tijd gemeten en vastgelegd, waardoor een foto-akoestische tijdreeks wordt gevormd die wordt gebruikt voor het reconstrueren van een driedimensionaal weefselbeeld. Bij foto-akoestische tomografie worden laserpulsen verspreid over een groter weefselgebied in plaats van gefocust te zijn op een specifiek gebied. Om het uiteindelijke weefselbeeld te produceren, is het van cruciaal belang om de optische eigenschappen van weefsels te schatten op basis van de gemeten foto-akoestische tijdreeksen.

In een recensie gepubliceerd in het Journal of Biomedical Optics (JBO) , Tanja Tarvainen van de Universiteit van Oost-Finland en Ben Cox van University College London bespreken het optische deel of het beeldgeneratieaspect van QPAT.

"Onze studie is gericht op de wiskunde van het optische gedeelte", zegt Tarvainen. “Het onderzoekt het huidige denken over twee gerelateerde problemen:wat is de beste manier om de voortplanting van licht en de interactie ervan met biologisch weefsel wiskundig te beschrijven? Wat kunnen we, gegeven foto-akoestische metingen, in principe leren over de optische eigenschappen van weefsel, of zelfs over de gerelateerde en meer klinisch relevante eigenschappen zoals bloedoxygenatie?"

Het overzicht begint met de introductie van veelgebruikte wiskundige modellen voor het beschrijven van de voortplanting van licht en geluid in biologische weefsels, met name de stralingsoverdrachtsvergelijking (RTE) en zijn benaderingen. Deze vergelijkingen beschrijven de beweging van licht door een medium, rekening houdend met de absorptie, verstrooiing en emissie ervan. In QPAT dient de RTE als model om te begrijpen hoe licht interageert met biologische weefsels, uitgaande van de constante energie van fotonen tijdens elastische botsingen en een constante brekingsindex van het medium.

De review introduceert vervolgens de Grüneisen-parameter, die de optische energie die door de weefsels wordt geabsorbeerd, koppelt aan de initiële akoestische drukverdeling. Vergelijkingen voor de voortplanting van akoestische golven in biologisch weefsel worden ook benadrukt.

Vervolgens bespreken de onderzoekers het foto-akoestische inverse probleem, waarbij de concentraties van lichtabsorberende moleculen in biologische weefsels worden geschat. Er zijn twee omgekeerde problemen bij QPAT. Bij het akoestische inverse probleem wordt de akoestische drukverdeling bepaald op basis van de gemeten foto-akoestische tijdreeksen.

Dit overzicht richt zich echter op het optische inverse probleem, waarbij de verdelingen van optische parameters worden geschat op basis van de geabsorbeerde optische energiedichtheid. Het oplossen van omgekeerde problemen is belangrijk voor het verkrijgen van nauwkeurige schattingen van klinisch belangrijke parameters, zoals de concentraties van oxyhemoglobine en deoxyhemoglobine, die indicatoren zijn voor het zuurstofverzadigingsniveau in het bloed.

De auteurs schetsen twee benaderingen van het optische inverse probleem in QPAT:een directe schatting van de chromofoorconcentraties op basis van geabsorbeerde optische energiedichtheidsgegevens en een proces in twee fasen waarbij de absorptiecoëfficiënten worden hersteld, gevolgd door spectroscopische inversie om de concentratie te berekenen.

Ten slotte bespreekt de review de uitdagingen die gepaard gaan met de praktische implementatie van QPAT. Deze omvatten onder meer het aanpakken van het effect van optische verstrooiing, rekening houdend met de variatie in de absorptie van optische energie door de weefsels (fluentie-effect), de behoefte aan intensieve rekenmethoden en onzekerheden in parameters die worden gebruikt als invoer voor de modellen, zoals de Grüneisen parameter.

"Hoewel QPAT een veelbelovende methodologie is voor het leveren van 3D-beelden met hoge resolutie van fysiologisch relevante parameters, zijn er veel op computationele modellering gebaseerde uitdagingen die moeten worden aangepakt voordat de techniek kan worden ontwikkeld als een standaard klinisch of preklinisch hulpmiddel", zegt Tarvainen.

QPAT houdt een grote belofte in voor niet-invasieve medische beeldvorming en diagnose. De onderwerpen die in deze review worden besproken, kunnen als leidraad dienen voor de ontwikkeling van strategieën om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van QPAT in praktijkscenario's te verbeteren.

Meer informatie: Tanja Tarvainen et al, Kwantitatieve foto-akoestische tomografie:modellering en inverse problemen, Journal of Biomedical Optics (2023). DOI:10.1117/1.JBO.29.S1.S11509

Journaalinformatie: Journal of Biomedical Optics

Geleverd door SPIE