หลักการของการถ่ายภาพโฟโตอะคูสติก

หลักการของการถ่ายภาพโฟโตอะคูสติก

การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียง (Photoacoustic Imaging: PAI) เป็นเทคนิคการถ่ายภาพทางการแพทย์ที่ผสมผสานเลนส์และเสียงเพื่อสร้างสัญญาณอัลตราโซนิกโดยใช้ปฏิสัมพันธ์ของแสงสว่างด้วยเนื้อเยื่อเพื่อให้ได้ภาพเนื้อเยื่อความละเอียดสูง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาชีวการแพทย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการตรวจหาเนื้องอก การถ่ายภาพหลอดเลือด การถ่ายภาพผิวหนัง และสาขาอื่นๆ

หลักการ:
1. การดูดกลืนแสงและการขยายตัวเนื่องจากความร้อน: – การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงสะท้อน (Photoacoustic imaging) ใช้ปรากฏการณ์ความร้อนที่เกิดจากการดูดกลืนแสง โมเลกุลของเม็ดสีในเนื้อเยื่อ (เช่น ฮีโมโกลบิน เมลานิน) จะดูดกลืนโฟตอน (โดยปกติคือแสงอินฟราเรดใกล้) ซึ่งจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน ทำให้อุณหภูมิในบริเวณนั้นสูงขึ้น
2. การขยายตัวเนื่องจากความร้อนทำให้เกิดคลื่นอัลตราซาวนด์: – การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทำให้เนื้อเยื่อขยายตัวเนื่องจากความร้อนเพียงเล็กน้อย ซึ่งก่อให้เกิดคลื่นความดัน (เช่น คลื่นอัลตราซาวนด์)
3. การตรวจจับด้วยอัลตราโซนิก: คลื่นอัลตราโซนิกที่เกิดขึ้นจะแพร่กระจายภายในเนื้อเยื่อ จากนั้นเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก (เช่น หัววัดอัลตราโซนิก) จะรับและบันทึกสัญญาณเหล่านี้
4. การสร้างภาพใหม่: สัญญาณอัลตราโซนิคที่เก็บรวบรวมจะถูกคำนวณและประมวลผลเพื่อสร้างภาพโครงสร้างและการทำงานของเนื้อเยื่อใหม่ ซึ่งสามารถให้คุณสมบัติการดูดกลืนแสงของเนื้อเยื่อได้ ข้อดีของการถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียง: คอนทราสต์สูง: การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงอาศัยคุณสมบัติการดูดกลืนแสงของเนื้อเยื่อ และเนื้อเยื่อต่างๆ (เช่น เลือด ไขมัน กล้ามเนื้อ ฯลฯ) มีความสามารถในการดูดซับแสงที่แตกต่างกัน จึงสามารถให้ภาพที่มีคอนทราสต์สูงได้ ความละเอียดสูง: ด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่สูงของอัลตราซาวนด์ การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงสามารถให้ความแม่นยำในการถ่ายภาพในระดับมิลลิเมตรหรือแม้แต่ระดับต่ำกว่ามิลลิเมตรได้ แบบไม่รุกราน: การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงไม่รุกราน แสงและเสียงจะไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อเนื้อเยื่อ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวินิจฉัยทางการแพทย์ของมนุษย์ ความสามารถในการถ่ายภาพเชิงลึก: เมื่อเทียบกับการถ่ายภาพด้วยแสงแบบดั้งเดิม การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงสามารถเจาะลึกลงไปใต้ผิวหนังได้หลายเซนติเมตร ซึ่งเหมาะสำหรับการถ่ายภาพเนื้อเยื่อลึก

แอปพลิเคชัน:
1. การถ่ายภาพหลอดเลือด: – การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงสามารถตรวจจับคุณสมบัติการดูดซับแสงของฮีโมโกลบินในเลือด จึงสามารถแสดงโครงสร้างและสถานะออกซิเจนของหลอดเลือดได้อย่างแม่นยำ เพื่อการตรวจติดตามการไหลเวียนโลหิตระดับจุลภาคและตัดสินโรค
2. การตรวจหาเนื้องอก: – การสร้างหลอดเลือดใหม่ในเนื้อเยื่อเนื้องอกมักเกิดขึ้นอย่างมากมาย และการถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงสามารถช่วยตรวจหาเนื้องอกได้ในระยะเริ่มต้นโดยการตรวจจับความผิดปกติในโครงสร้างหลอดเลือด
3. การถ่ายภาพเชิงฟังก์ชัน: การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงสามารถประเมินปริมาณออกซิเจนที่ส่งไปยังเนื้อเยื่อได้โดยการตรวจจับความเข้มข้นของออกซิเจนและดีออกซีฮีโมโกลบินในเนื้อเยื่อ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการติดตามการทำงานของโรคต่างๆ เช่น มะเร็งและโรคหัวใจและหลอดเลือด
4. การถ่ายภาพผิวหนัง: เนื่องจากการถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงมีความไวต่อเนื้อเยื่อผิวเผินมาก จึงเหมาะสำหรับการตรวจพบมะเร็งผิวหนังในระยะเริ่มต้นและการวิเคราะห์ความผิดปกติของผิวหนัง
5. การถ่ายภาพสมอง: การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงสามารถได้รับข้อมูลการไหลเวียนเลือดในสมองแบบไม่รุกรานสำหรับการศึกษาโรคของสมอง เช่น โรคหลอดเลือดสมองและโรคลมบ้าหมู

ความท้าทายและทิศทางการพัฒนาของการถ่ายภาพโฟโตอะคูสติก:
แหล่งกำเนิดแสงการคัดเลือก: แสงที่ความยาวคลื่นต่างกันนั้นแตกต่างกัน การเลือกสมดุลของความยาวคลื่น ความละเอียด และความลึกของแสงที่เหมาะสมจึงเป็นเรื่องท้าทาย การประมวลผลสัญญาณ: การรับและประมวลผลสัญญาณอัลตราโซนิคจำเป็นต้องใช้อัลกอริทึมที่มีความเร็วสูงและแม่นยำ และการพัฒนาเทคโนโลยีการสร้างภาพใหม่ก็มีความสำคัญอย่างยิ่ง การถ่ายภาพหลายโหมด: การถ่ายภาพด้วยโฟโตอะคูสติกสามารถใช้ร่วมกับวิธีการถ่ายภาพอื่นๆ (เช่น MRI, CT และอัลตราซาวนด์) เพื่อให้ข้อมูลทางชีวการแพทย์ที่ครอบคลุมมากขึ้น

การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงสะท้อน (Photoacoustic Imaging) เป็นเทคโนโลยีการถ่ายภาพทางชีวการแพทย์แบบใหม่ที่มีฟังก์ชันหลากหลาย โดดเด่นด้วยความคมชัดสูง ความละเอียดสูง และไม่รุกรานร่างกาย ด้วยการพัฒนาของเทคโนโลยี การถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียงสะท้อนจึงมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในการวินิจฉัยทางการแพทย์ การวิจัยทางชีววิทยาพื้นฐาน การพัฒนายา และสาขาอื่นๆ