Nguyên lý của hình ảnh quang học

Nguyên lý của hình ảnh quang học

Photoacoustic Imaging (PAI) là một kỹ thuật hình ảnh y tế kết hợpquang họcvà âm thanh để tạo ra tín hiệu siêu âm bằng cách sử dụng sự tương tác củaánh sángvới mô để thu được hình ảnh mô có độ phân giải cao. Nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y sinh, đặc biệt là phát hiện khối u, hình ảnh mạch máu, hình ảnh da và các lĩnh vực khác.

Nguyên tắc:
1. Hấp thụ ánh sáng và giãn nở nhiệt: – Chụp ảnh quang âm sử dụng hiệu ứng nhiệt được tạo ra bởi sự hấp thụ ánh sáng. Các phân tử sắc tố trong mô (ví dụ, hemoglobin, melanin) hấp thụ các photon (thường là ánh sáng cận hồng ngoại), chuyển hóa thành năng lượng nhiệt, khiến nhiệt độ cục bộ tăng lên.
2. Giãn nở nhiệt gây ra siêu âm: – Nhiệt độ tăng dẫn đến sự giãn nở nhiệt rất nhỏ của mô, tạo ra sóng áp suất (tức là siêu âm).
3. Phát hiện siêu âm: – Sóng siêu âm được tạo ra sẽ lan truyền trong mô và các tín hiệu này sau đó được các cảm biến siêu âm (chẳng hạn như đầu dò siêu âm) tiếp nhận và ghi lại.
4. Tái tạo hình ảnh: tín hiệu siêu âm thu thập được tính toán và xử lý để xây dựng lại hình ảnh cấu trúc và chức năng của mô, có thể cung cấp các đặc tính hấp thụ quang học của mô. Ưu điểm của hình ảnh quang âm: Độ tương phản cao: Hình ảnh quang âm phụ thuộc vào đặc tính hấp thụ ánh sáng của các mô và các mô khác nhau (như máu, mỡ, cơ, v.v.) có khả năng hấp thụ ánh sáng khác nhau nên có thể cung cấp hình ảnh có độ tương phản cao. Độ phân giải cao: Sử dụng độ phân giải không gian cao của siêu âm, hình ảnh quang âm có thể đạt được độ chính xác hình ảnh đến từng milimet hoặc thậm chí dưới milimet. Không xâm lấn: Hình ảnh quang học không xâm lấn, ánh sáng và âm thanh sẽ không gây tổn thương mô, rất phù hợp cho chẩn đoán y tế ở người. Khả năng chụp ảnh độ sâu: So với hình ảnh quang học truyền thống, hình ảnh quang âm có thể xuyên qua vài cm dưới da, phù hợp để chụp ảnh mô sâu.

Ứng dụng:
1. Chụp ảnh mạch máu: – Chụp ảnh quang âm có thể phát hiện đặc tính hấp thụ ánh sáng của huyết sắc tố trong máu nên có thể hiển thị chính xác cấu trúc và tình trạng oxy hóa của mạch máu để theo dõi vi tuần hoàn và phán đoán bệnh lý.
2. Phát hiện khối u: – Sự hình thành mạch máu trong các mô khối u thường vô cùng phong phú và hình ảnh quang học có thể giúp phát hiện sớm khối u bằng cách phát hiện những bất thường trong cấu trúc mạch máu.
3. Chụp ảnh chức năng: – Chụp ảnh quang âm có thể đánh giá việc cung cấp oxy cho các mô bằng cách phát hiện nồng độ oxy hóa và deoxyhemoglobin trong mô, có ý nghĩa rất lớn trong việc theo dõi chức năng của các bệnh như ung thư và bệnh tim mạch.
4. Chụp ảnh da: – Vì chụp ảnh quang âm rất nhạy cảm với mô bề mặt nên thích hợp để phát hiện sớm ung thư da và phân tích các bất thường của da.
5. Chụp ảnh não: Chụp ảnh quang học có thể thu được thông tin về lưu lượng máu não theo cách không xâm lấn để nghiên cứu các bệnh về não như đột quỵ và động kinh.

Những thách thức và hướng phát triển của hình ảnh quang học:
Nguồn sángLựa chọn: Độ xuyên thấu của ánh sáng ở các bước sóng khác nhau là khác nhau, làm thế nào để chọn được độ phân giải cân bằng bước sóng phù hợp và độ sâu xuyên thấu là một thách thức. Xử lý tín hiệu: Việc thu nhận và xử lý tín hiệu siêu âm đòi hỏi các thuật toán tốc độ cao và chính xác, việc phát triển công nghệ tái tạo hình ảnh cũng rất quan trọng. Hình ảnh đa phương thức: Hình ảnh quang học có thể được kết hợp với các phương thức hình ảnh khác (như MRI, CT, hình ảnh siêu âm) để cung cấp thông tin y sinh toàn diện hơn.

Hình ảnh quang học là một công nghệ hình ảnh y sinh mới và đa chức năng, có đặc điểm là độ tương phản cao, độ phân giải cao và không xâm lấn. Với sự phát triển của công nghệ, hình ảnh quang học có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán y tế, nghiên cứu sinh học cơ bản, phát triển thuốc và các lĩnh vực khác.