Thermoacoustic imaging
થર્મોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગની મૂળ દરખાસ્ત થિયોડોર બોવેન દ્વારા 1981માં વર્ચ્યુઅલ રીતે કોઈપણ પ્રકારના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનનો ઉપયોગ કરીને માનવ પેશીઓના શોષણ ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કરવાની વ્યૂહરચના તરીકે કરવામાં આવી હતી. પરંતુ એલેક્ઝાન્ડર ગ્રેહામ બેલે સૌપ્રથમ ભૌતિક સિદ્ધાંતનો અહેવાલ આપ્યો હતો જેના પર થર્મોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ એક સદી અગાઉ આધારિત છે. તેમણે અવલોકન કર્યું હતું કે રબરની ચાદર પર સૂર્યપ્રકાશના તૂટક તૂટક કિરણોને પ્રકાશિત કરીને સંભળાતો અવાજ પેદા કરી શકાય છે. બોવેનનું કાર્ય પ્રકાશિત થયાના થોડા સમય પછી, અન્ય સંશોધકોએ માઇક્રોવેવ્સનો ઉપયોગ કરીને થર્મોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ માટેની પદ્ધતિની દરખાસ્ત કરી હતી. 1994 માં સંશોધકોએ ઇન્ફ્રારેડ લેસરનો ઉપયોગ બે પરિમાણો (2D) માં હોવા છતાં, પેશી-અનુકરણ ફેન્ટમમાં નજીકના ઇન્ફ્રારેડ ઓપ્ટિકલ શોષણની પ્રથમ થર્મોકોસ્ટિક છબીઓ બનાવવા માટે કર્યો હતો. 1995માં અન્ય સંશોધકોએ એક સામાન્ય પુનર્નિર્માણ અલ્ગોરિધમ તૈયાર કર્યું હતું, જેના દ્વારા તેમના "અંદાજો" એટલે કે 2ડી થર્મોએકૉસ્ટિક છબીઓની ગણતરી કરી શકાય છે. થર્મોએકૉસ્ટિક કમ્પ્યુટેડ ટોમોગ્રાફી (TCT). 1998 સુધીમાં ઇન્ડિયાના યુનિવર્સિટી મેડિકલ સેન્ટરના સંશોધકોએ ટી. સી. ટી. ને 3ડી સુધી વિસ્તાર્યું હતું અને જૈવિક પેશીઓની પ્રથમ સંપૂર્ણ ત્રિ-પરિમાણીય (3ડી) થર્મોએકૉસ્ટિક છબીઓ બનાવવા માટે સ્પંદિત માઇક્રોવેવ્સનો ઉપયોગ કર્યો હતો. 1)]. પછીના વર્ષે તેઓએ માનવ સ્તનમાં કેન્સરની પ્રથમ સંપૂર્ણ 3D થર્મોકોસ્ટિક છબીઓ બનાવી, ફરીથી સ્પંદિત માઇક્રોવેવ્સનો ઉપયોગ કરીને (આકૃતિ. 2). તે સમયથી, થર્મોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગે વિશ્વભરની સંશોધન સંસ્થાઓમાં વ્યાપક લોકપ્રિયતા મેળવી છે. 2008 સુધીમાં, ત્રણ કંપનીઓ વ્યાપારી થર્મોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ સિસ્ટમ્સ વિકસાવી રહી હતી-સેનો મેડિકલ, એન્ડ્રા, ઇન્ક. અને ઓપ્ટોસોનિક્સ, ઇન્ક. થર્મોએકૉસ્ટિક તરંગ ઉત્પાદન સાઉન્ડ, જે દબાણ તરંગ તરીકે પ્રચાર કરે છે, જ્યારે પણ સમય-બદલાતી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઊર્જા શોષાય છે ત્યારે જૈવિક પેશીઓ સહિત વર્ચ્યુઅલ રીતે કોઈપણ સામગ્રીમાં પ્રેરિત કરી શકાય છે. ઉત્તેજક કિરણોત્સર્ગ કે જે આ ઉષ્મીય રીતે ઉત્પન્ન ધ્વનિ તરંગોને પ્રેરિત કરે છે તે વિદ્યુતચુંબકીય વર્ણપટમાં ઉચ્ચ-ઊર્જા આયનીકરણ કણોથી લઈને ઓછી-ઊર્જા રેડિયો તરંગો સુધી ગમે ત્યાં હોઈ શકે છે. "ફોટોએકૉસ્ટિક" શબ્દ (બાયોમેડિસિનમાં ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ જુઓ) આ ઘટનાને લાગુ પડે છે જ્યારે ઉત્તેજક કિરણોત્સર્ગ ઓપ્ટિકલ હોય છે, જ્યારે "થર્મોએકૉસ્ટિક" વધુ સામાન્ય શબ્દ છે અને ઓપ્ટિકલ સહિત તમામ કિરણોત્સર્ગી સ્રોતોનો સંદર્ભ આપે છે. જે પ્રક્રિયા દ્વારા થર્મોએકૉસ્ટિક તરંગો ઉત્પન્ન થાય છે તે આકૃતિ 3 માં દર્શાવવામાં આવી છે. તેને ચાર તબક્કાની પ્રક્રિયા તરીકે સમજી શકાય છેઃ જૈવિક પેશીઓ ઊર્જા સ્ત્રોત દ્વારા વિકિરિત થાય છે જે શરીર દ્વારા શોષાય છે. ઊર્જાનો સ્ત્રોત બિન-વિશિષ્ટ છે, પરંતુ તેમાં સામાન્ય રીતે ઇન્ફ્રારેડની નજીક દૃશ્યમાન પ્રકાશ, રેડિયો તરંગો અથવા માઇક્રોવેવ્સનો સમાવેશ થાય છે. શોષાયેલી ઊર્જાને ગરમીમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે, જે પેશીઓનું તાપમાન વધારે છે, સામાન્ય રીતે 0.001 ડિગ્રી સેલ્સિયસથી ઓછું. પેશીના તાપમાનમાં વધારો પેશીના કદમાં વિસ્તરણનું કારણ બને છે, જોકે સહેજ. આ યાંત્રિક વિસ્તરણ એક ધ્વનિ તરંગ ઉત્પન્ન કરે છે જે જૈવિક પેશીઓમાં ધ્વનિના વેગ પર ઊર્જા શોષણના સ્થળથી તમામ દિશાઓમાં બહારની તરફ ફેલાય છે, આશરે 1.5 મીમી પ્રતિ માઇક્રોસેકન્ડ. જ્યારે પેશીને પલ્સ સાથે ઇરેડિયેશન કરવામાં આવે છે, ત્યારે એકોસ્ટિક તરંગની લાક્ષણિકતા ધરાવતી એકોસ્ટિક ફ્રીક્વન્સીઝ શૂન્યથી 1/(પલ્સની પહોળાઈ) સુધીની શ્રેણી ધરાવે છે. દા. ત., 1 માઇક્રોસેકન્ડ પલ્સ શૂન્યથી આશરે 1 મેગાહર્ટ્ઝ (મેગાહર્ટ્ઝ) સુધીની ધ્વનિ આવૃત્તિઓ ઉત્પન્ન કરે છે. ટૂંકા કઠોળ ધ્વનિક આવૃત્તિઓની વિશાળ શ્રેણી ઉત્પન્ન કરે છે. 1 મેગાહર્ટઝ કરતાં વધુ આવર્તનને અલ્ટ્રાસોનિક તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, અને તે તબીબી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કાર્યક્રમો સાથે પણ સંકળાયેલા છે. છબી રચનાના સિદ્ધાંતો કોઈપણ થર્મોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ ઉપકરણને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનના સ્ત્રોતની જરૂર પડે છે, પછી ભલે તે લેસર હોય કે માઇક્રોવેવ એન્ટેના, અભ્યાસ કરવામાં આવી રહેલા શરીરરચનાને ઊર્જા પહોંચાડવા માટે, અને એક અથવા વધુ એકોસ્ટિક ડિટેક્ટર્સને શરીરરચનાની બહારની સપાટી પર ધ્વનિની રીતે જોડવામાં આવે છે, જેમ કે આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. 4. લાક્ષણિક એકોસ્ટિક ડિટેક્ટર એ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ટ્રાન્સડ્યુસર છે, જે સામાન્ય રીતે પીઝો-ઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીથી બનેલું હોય છે જે શોધાયેલ દબાણને વિદ્યુત સંકેતમાં રૂપાંતરિત કરે છે. થર્મોએકૉસ્ટિક તરંગો શરીરરચનાની અંદર પ્રેરિત થાય છે જ્યાં પણ શોષણ થાય છે, અને આ થર્મોએકૉસ્ટિક તરંગોની શક્તિ પેશીઓમાં શોષાયેલી ઊર્જાના પ્રમાણમાં હોય છે. આમાંના કેટલાક તરંગો એક અથવા વધુ એકોસ્ટિક ટ્રાન્સડ્યુસર્સ દ્વારા શોધવામાં આવે તે પહેલાં અમુક સમય અંતરાલ (ઉડાનના સમય) પર શરીરરચના દ્વારા પ્રસરે છે. ઉડાનનો ચોક્કસ સમય શોષણ સ્થળ અને ટ્રાન્સડ્યુસર વચ્ચેના અંતરના પ્રમાણમાં હોય છે, એમ ધારીને કે દરેક ટ્રાન્સડ્યુસર એક બિંદુ શોધક છે. કોઈપણ આપેલ ઉડાનના સમય માટે, દરેક ટ્રાન્સડ્યુસર આકૃતિમાં દર્શાવ્યા મુજબ પ્રશ્નમાં ડિટેક્ટરથી સમાન અંતરે ઉદ્ભવતા થર્મોએકૉસ્ટિક તરંગોનો સરવાળો પ્રાપ્ત કરશે. 5. આ કારણોસર, બિંદુ ટ્રાન્સડ્યુસર સાથે શોષણ સ્થળને સ્થાનિક બનાવવાનો પ્રયાસ કરતી વખતે અસ્પષ્ટતા ઊભી થાય છે. આ અસ્પષ્ટતાને ઓછી કરવા માટે વિવિધ વ્યૂહરચનાઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. ડિટેક્ટર ભૂમિતિ ત્રણ સામાન્ય ડિટેક્ટર રૂપરેખાંકનોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છેઃ ગોળાકાર કેન્દ્રિત ટ્રાન્સડ્યુસર; એક પરિમાણમાં કેન્દ્રિત ટ્રાન્સડ્યુસરની રેખીય (અથવા વળાંક-રેખીય) શ્રેણી; અથવા, બિન-કેન્દ્રિત ટ્રાન્સડ્યુસરની 2D શ્રેણી. સામાન્ય રીતે, એક કેન્દ્રિત ટ્રાન્સડ્યુસર 3D વોલ્યુમ દ્વારા એક જ લીટીની છબી બનાવી શકે છે. રેખીય (1D) એરે, પછી તે સીધો હોય કે વક્ર, 2D પ્લેનની છબી બનાવી શકે છે, પરંતુ સંપૂર્ણ 3D વોલ્યુમની છબી બનાવવા માટે ટ્રાન્સડ્યુસર્સની 2D એરેની જરૂર પડે છે. કેન્દ્રિત ટ્રાન્સડ્યુસર ગોળાકાર કેન્દ્રિત ટ્રાન્સડ્યુસર તેના કેન્દ્રબિંદુમાંથી પસાર થતી રેખા સાથે ઉદ્ભવતા થર્મોએકૉસ્ટિક તરંગો પ્રત્યે સૌથી વધુ સંવેદનશીલ હોય છે. ટાઈમ-ઓફ-ફ્લાઇટ માહિતીનો ઉપયોગ આ રેખા સાથે થર્મોએકૉસ્ટિક સિગ્નલની શક્તિનો અંદાજ કાઢવા માટે થાય છે. કેન્દ્રિત ટ્રાન્સડ્યુસરને રેખીય માર્ગ સાથે બાજુની બાજુએ અનુવાદિત કરીને 2D છબીને એક સમયે એક લાઇનમાં એસેમ્બલ કરી શકાય છે. 2D સમતલની અંદર લંબચોરસ માર્ગ સાથે ટ્રાન્સડ્યુસરને સ્કેન કરીને 3D છબી બનાવી શકાય છે. ફોકસની રેખા (અક્ષીય રીઝોલ્યુશન) સાથે થર્મોએકૉસ્ટિક સંકેતોને અલગ પાડવાની ક્ષમતા થર્મોએકૉસ્ટિક સંકેતોને ફોકસની રેખા (બાજુની રીઝોલ્યુશન) થી અલગ પાડવા કરતાં શ્રેષ્ઠ છે. આ કારણોસર બાજુની અવકાશી રીઝોલ્યુશન આ અભિગમનો ઉપયોગ કરીને અક્ષીય અવકાશી રીઝોલ્યુશન કરતાં ત્રણથી ચાર ગણી ખરાબ છે. રેખીય એરે રેખીય ટ્રાન્સડ્યુસર એરે (વક્ર અને સીધા બંને) નો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે પરંપરાગત તબીબી અલ્ટ્રાસાઉન્ડમાં થાય છે. તેઓ વિવિધ કદ અને આકારોમાં ઉપલબ્ધ છે. તેઓ થર્મોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગમાં ઉપયોગ માટે સરળતાથી અનુકૂળ છે. આકૃતિ 7 સમજાવે છે કે 2D થર્મોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ માટે રેખીય એરેનો ઉપયોગ કેવી રીતે થાય છે. એરેમાં સંખ્યાબંધ ઘટકો (64-256) હોય છે જે એરેના આગળના ભાગથી બહારની તરફ વિસ્તરેલા 2D પ્લેનની અંદર મહત્તમ સંવેદનશીલતા જાળવવા માટે ઊભી પરિમાણમાં કેન્દ્રિત હોય છે. પ્લેનની અંદરના થર્મોએકૉસ્ટિક સંકેતોને પ્લેનની અંદરની દરેક સ્થિતિથી એરેના દરેક તત્વ (તીર, આકૃતિ. 7). 2D એરે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક શોષણનો સચોટ 3D નકશો બનાવવા માટે પૂરતો થર્મોએકૉસ્ટિક ડેટા મેળવવા માટે, ટ્રાન્સડ્યુસર્સની 2D એરે સાથે ઇમેજિંગ કરવામાં આવતી શરીરરચનાને ઘેરી લેવી જરૂરી છે. વિશ્વનું પ્રથમ 3D થર્મોએકૉસ્ટિક એનિમલ સ્કેનર (આકૃતિ. 8: ડાબી પેનલ) એ 128 ટ્રાન્સડ્યુસર્સની નળાકાર શ્રેણીને જોડીને આ પરિપૂર્ણ કર્યું (આકૃતિ. 8: કેન્દ્ર પેનલ) જેમાં પ્રાણીના પરિભ્રમણને ઊભી અક્ષની આસપાસ ચિત્રિત કરવામાં આવે છે. ચોખ્ખું પરિણામ પ્રાણીની આસપાસની ગોળાની સપાટી પર થર્મોએકૉસ્ટિક માહિતી મેળવવાનું હતું (આકૃતિ. 8: જમણી પેનલ). આ ઉપકરણ 1/3 મિલીમીટર જેટલા નાના માળખાઓની કલ્પના કરવામાં સક્ષમ હતું. માઉસના માથામાં વાસ્કુલેચરની એનિમેટેડ 3D છબી આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવી છે. 9. આ એનિમેટેડ છબી 800 એનએમ પર નજીકના ઇન્ફ્રારેડ રેડિયેશનનો ઉપયોગ કરીને હસ્તગત કરવામાં આવી હતી, જ્યાં લોહી દ્વારા ઓપ્ટિકલ શોષણ આસપાસના પેશીઓ કરતા વધારે હોય છે. તેથી, વાસ્કુલેચરને પ્રાધાન્યપૂર્વક જોવામાં આવે છે. માઇક્રોવેવ્સનો ઉપયોગ માનવ સ્તનની 3D થર્મોએકૉસ્ટિક છબીઓ બનાવવા માટે પણ કરવામાં આવે છે. આવું કરનાર પ્રથમ ઉપકરણોમાંથી એક આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. 10. તેમાં આઠ તરંગ માર્ગદર્શિકાઓનો સમાવેશ થતો હતો, જે સ્તનમાં માઇક્રોવેવ ઊર્જાને નિર્દેશિત કરતી હતી. સ્તનની આંતરિક રચનાઓનું પુનઃનિર્માણ કરવા માટે પૂરતો ડેટા મેળવવા માટે વેવગાઇડ સાથે સુમેળમાં ટ્રાન્સડ્યુસર એરે ફેરવવામાં આવ્યો હતો. આકૃતિ 11 સામાન્ય સ્તનમાં લાક્ષણિક ગ્રંથીયુક્ત પેશી પેટર્નનું એનિમેશન દર્શાવે છે. સંદર્ભો વધુ વાંચન મેડિકલ ઇમેજિંગ