Photoacoustic imaging
ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ અથવા ઓપ્ટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ એ ફોટોએકૉસ્ટિક અસર પર આધારિત બાયોમેડિકલ ઇમેજિંગ પદ્ધતિ છે. નોન-આયોનાઇઝિંગ લેસર કઠોળ જૈવિક પેશીઓમાં વિતરિત કરવામાં આવે છે અને ઊર્જાનો એક ભાગ શોષાઈ જશે અને ગરમીમાં રૂપાંતરિત થશે, જે ક્ષણિક થર્મોઇલાસ્ટિક વિસ્તરણ તરફ દોરી જશે અને આમ વાઈડબેન્ડ (એટલે કે. મેગાહર્ટઝ) અલ્ટ્રાસોનિક ઉત્સર્જન. પેદા થયેલ અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો અલ્ટ્રાસોનિક ટ્રાન્સડ્યુસર્સ દ્વારા શોધી કાઢવામાં આવે છે અને પછી છબીઓ બનાવવા માટે વિશ્લેષણ કરવામાં આવે છે. તે જાણીતું છે કે ઓપ્ટિકલ શોષણ હેમોગ્લોબિનની સાંદ્રતા અને ઓક્સિજન સંતૃપ્તિ જેવા શારીરિક ગુણધર્મો સાથે નજીકથી સંકળાયેલું છે. પરિણામે, અલ્ટ્રાસોનિક ઉત્સર્જનની તીવ્રતા (એટલે કે. ફોટોએકૉસ્ટિક સિગ્નલ), જે સ્થાનિક ઊર્જા જમા થવાના પ્રમાણસર હોય છે, તે શારીરિક રીતે ચોક્કસ ઓપ્ટિકલ શોષણ વિરોધાભાસ દર્શાવે છે. પછી લક્ષિત વિસ્તારોની 2D અથવા 3D છબીઓ બનાવી શકાય છે. બાયોમેડિકલ ઇમેજિંગ જૈવિક પેશીઓમાં ઓપ્ટિકલ શોષણ હિમોગ્લોબિન અથવા મેલાનિન જેવા અંતર્જનિત અણુઓ અથવા બહિજનિત રીતે વિતરિત કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોને કારણે હોઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, આકૃતિ. 2 દૃશ્યમાન અને નજીકના ઇન્ફ્રારેડ પ્રદેશમાં ઓક્સિજનયુક્ત હિમોગ્લોબિન (HbO2) અને ડીઓક્સીજેનેટેડ હિમોગ્લોબિન (Hb) નું ઓપ્ટિકલ શોષણ સ્પેક્ટ્રા દર્શાવે છે. રક્તમાં સામાન્ય રીતે આસપાસના પેશીઓ કરતાં વધુ માત્રામાં શોષણનો ક્રમ હોય છે, તેથી રક્તવાહિનીઓને વિઝ્યુઅલાઈઝ કરવા માટે ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ માટે પૂરતી એન્ડોજેનસ કોન્ટ્રાસ્ટ છે. તાજેતરના અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગનો ઉપયોગ વિવોમાં ટ્યુમર એન્જીયોજેનેસિસ મોનિટરિંગ, બ્લડ ઓક્સિજનેશન મેપિંગ, ફંક્શનલ બ્રેન ઇમેજિંગ, ત્વચા મેલાનોમા ડિટેક્શન, મેથેમોગ્લોબિન માપન વગેરે માટે થઈ શકે છે. બે પ્રકારની ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ સિસ્ટમ્સ, ફોટોએકૉસ્ટિક/થર્મોએકૉસ્ટિક કમ્પ્યુટેડ ટોમોગ્રાફી (જેને ફોટોએકૉસ્ટિક/થર્મોએકૉસ્ટિક ટોમોગ્રાફી તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, એટલે કે, પી. એ. ટી./ટી. એ. ટી.) અને ફોટોએકૉસ્ટિક માઇક્રોસ્કોપી (પી. એ. એમ.) વિકસાવવામાં આવી છે. એક લાક્ષણિક પી. એ. ટી. પ્રણાલી ફોટોએકૉસ્ટિક સંકેતો મેળવવા માટે ધ્યાન કેન્દ્રિત ન કરેલા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ કરે છે, અને ફોટોએકૉસ્ટિક સમીકરણોને ઊલટું હલ કરીને છબીનું પુનઃનિર્માણ કરવામાં આવે છે. બીજી બાજુ, પી. એ. એમ. સિસ્ટમ, 2ડી પોઇન્ટ-બાય-પોઇન્ટ સ્કેનીંગ સાથે ગોળાકાર કેન્દ્રિત અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ કરે છે, અને તેને કોઈ પુનર્નિર્માણ અલ્ગોરિધમની જરૂર નથી. ફોટોએકૉસ્ટિક કમ્પ્યુટેડ ટોમોગ્રાફી સામાન્ય સમીકરણ ગરમીના કાર્યને ધ્યાનમાં રાખીને, ધ્વનિની દ્રષ્ટિએ એકરૂપ અદ્રશ્ય માધ્યમમાં ફોટોએકૉસ્ટિક તરંગ દબાણનું નિર્માણ અને પ્રસાર માધ્યમમાં અવાજની ઝડપ ક્યાં છે, તે થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક છે અને સતત દબાણ પર ચોક્કસ ગરમી ક્ષમતા છે તેના દ્વારા સંચાલિત થાય છે. Eq. (1) લેસર પલ્સ ઉત્તેજના દરમિયાન ગરમીનું વહન નજીવી છે તેની ખાતરી કરવા માટે થર્મલ કેદ હેઠળ રાખે છે. થર્મલ કન્ફિનમેન્ટ ત્યારે થાય છે જ્યારે લેસરની પલ્સવિડ્થ થર્મલ રિલેક્સેશન સમય કરતાં ઘણી ટૂંકી હોય છે. Eq નો આગળનો ઉકેલ. (1) ઇન સ્ટ્રેસ કન્ફિનમેન્ટ દ્વારા આપવામાં આવે છે, જે ત્યારે થાય છે જ્યારે લેસરની પલ્સવિડ્થ સ્ટ્રેસ રિલેક્સેશન ટાઇમ, Eq કરતા ઘણી ટૂંકી હોય છે. (2) પ્રારંભિક ફોટોએકૉસ્ટિક દબાણ ક્યાં છે તે રીતે આગળ મેળવી શકાય છે. સાર્વત્રિક પુનર્નિર્માણ અલ્ગોરિધમ PAT પ્રણાલીમાં, ધ્વનિનું દબાણ ફોટોએકૉસ્ટિક સ્રોતને ઘેરી લેતી સપાટી પર અલ્ટ્રાસોનિક ટ્રાન્સડ્યુસરને સ્કેન કરીને શોધી કાઢવામાં આવે છે. આંતરિક સ્રોત વિતરણનું પુનઃનિર્માણ કરવા માટે, આપણે સમીકરણ (3) ની વ્યસ્ત સમસ્યાનું સમાધાન કરવાની જરૂર છે. મેળવવા માટે). પી. એ. ટી. પુનર્નિર્માણ માટે લાગુ કરાયેલી પ્રતિનિધિ પદ્ધતિ સાર્વત્રિક બેકપ્રોજેક્શન અલ્ગોરિધમ તરીકે ઓળખાય છે. આ પદ્ધતિ ત્રણ ઇમેજિંગ ભૂમિતિઓ માટે યોગ્ય છેઃ સમતલ, ગોળાકાર અને નળાકાર સપાટીઓ. યુનિવર્સલ બેક પ્રોજેક્શન ફોર્મ્યુલા એ છે કે જ્યાં અંદરના પુનર્નિર્માણ બિંદુના સંદર્ભમાં સમગ્ર સપાટી દ્વારા સબટેન્ડેડ ઘન કોણ છે, અને સરળ સિસ્ટમ એક સરળ PAT/TAT/OAT સિસ્ટમ આકૃતિની ડાબી બાજુએ બતાવવામાં આવી છે. 3. લેસર બીમ વિસ્તૃત કરવામાં આવે છે અને રસના સમગ્ર પ્રદેશને આવરી લેવા માટે ફેલાય છે. ફોટોએકૉસ્ટિક તરંગો લક્ષ્યમાં ઓપ્ટિકલ શોષણના વિતરણના પ્રમાણમાં ઉત્પન્ન થાય છે, અને એક જ સ્કેન કરેલા અલ્ટ્રાસોનિક ટ્રાન્સડ્યુસર દ્વારા શોધી કાઢવામાં આવે છે. ટી. એ. ટી./ઓ. એ. ટી. સિસ્ટમ એ પી. એ. ટી. જેવી જ છે સિવાય કે તે લેસરને બદલે માઇક્રોવેવ ઉત્તેજના સ્રોતનો ઉપયોગ કરે છે. આ બે પ્રણાલીઓમાં સિંગલ-એલિમેન્ટ ટ્રાન્સડ્યુસર્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હોવા છતાં, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ એરેનો ઉપયોગ કરવા માટે પણ શોધ યોજનાને વિસ્તૃત કરી શકાય છે. બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સ આંતરિક ઓપ્ટિકલ અથવા માઇક્રોવેવ શોષણ વિરોધાભાસ અને અલ્ટ્રાસાઉન્ડનું વિવર્તન-મર્યાદિત ઉચ્ચ અવકાશી રીઝોલ્યુશન વ્યાપક બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સ માટે PAT અને TAT આશાસ્પદ ઇમેજિંગ પદ્ધતિઓ બનાવે છેઃ મગજના જખમની શોધ મગજમાં વિવિધ ઓપ્ટિકલ શોષણ ગુણધર્મો ધરાવતી સોફ્ટ પેશીઓને PAT દ્વારા સ્પષ્ટ રીતે ઓળખી શકાય છે. હેમોડાયનેમિક્સ મોનિટરિંગ એચ. બી. ઓ. 2 અને એચ. બી. દૃશ્યમાન વર્ણપટ શ્રેણીમાં જૈવિક પેશીઓમાં પ્રબળ શોષક સંયોજનો હોવાથી, આ બે રંગસૂત્રોની સંબંધિત સાંદ્રતા જાહેર કરવા માટે બહુવિધ તરંગલંબાઇ ફોટોએકૉસ્ટિક માપનનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. આમ, હિમોગ્લોબિન (HbT) અને હિમોગ્લોબિન ઓક્સિજન સંતૃપ્તિ (sO2) ની સાપેક્ષ કુલ સાંદ્રતા મેળવી શકાય છે. તેથી, મગજના કાર્ય સાથે સંકળાયેલા મગજના હેમોડાયનેમિક ફેરફારોને પી. એ. ટી. સાથે સફળતાપૂર્વક શોધી શકાય છે. સ્તન કેન્સરનું નિદાન ઉત્તેજના માટે નીચા વેરવિખેર માઇક્રોવેવનો ઉપયોગ કરીને, ટી. એ. ટી. મી. કરતા ઓછા અવકાશી રીઝોલ્યુશન સાથે જાડા (કેટલાક સે. મી.) જૈવિક પેશીઓમાં પ્રવેશ કરવામાં સક્ષમ છે. કેન્સરગ્રસ્ત પેશીઓ અને સામાન્ય પેશીઓ રેડિયો આવર્તન કિરણોત્સર્ગ માટે લગભગ સમાન પ્રતિક્રિયાઓ ધરાવે છે, તેથી સ્તન કેન્સરના પ્રારંભિક નિદાનમાં ટી. એ. ટી. ની ક્ષમતા મર્યાદિત છે. ફોટોએકૉસ્ટિક માઇક્રોસ્કોપી ફોટોએકૉસ્ટિક માઇક્રોસ્કોપીની ઇમેજિંગ ઊંડાઈ મુખ્યત્વે અલ્ટ્રાસોનિક એટેન્યુએશન દ્વારા મર્યાદિત છે. અવકાશી (એટલે કે. અક્ષીય અને પાર્શ્વીય) ઠરાવો ઉપયોગમાં લેવાતા અલ્ટ્રાસોનિક ટ્રાન્સડ્યુસર પર આધાર રાખે છે. ઉચ્ચ કેન્દ્રીય આવર્તન અને વ્યાપક બેન્ડવિડ્થ સાથે અલ્ટ્રાસોનિક ટ્રાન્સડ્યુસરને ઉચ્ચ અક્ષીય રીઝોલ્યુશન મેળવવા માટે પસંદ કરવામાં આવે છે. બાજુની રીઝોલ્યુશન ટ્રાન્સડ્યુસરના કેન્દ્રીય વ્યાસ દ્વારા નક્કી થાય છે. દાખલા તરીકે, 50 મેગાહર્ટઝ અલ્ટ્રાસોનિક ટ્રાન્સડ્યુસર ~ 3 મીમી ઇમેજિંગ ઊંડાઈ સાથે 15 માઇક્રોમીટર અક્ષીય અને 45 માઇક્રોમીટર બાજુની રીઝોલ્યુશન પ્રદાન કરે છે. ફોટોએકૉસ્ટિક માઇક્રોસ્કોપી કાર્યાત્મક ઇમેજિંગમાં બહુવિધ મહત્વપૂર્ણ ઉપયોગો ધરાવે છેઃ તે નાની વાહિનીઓમાં ઓક્સિજનયુક્ત/ડીઓક્સીજેનેટેડ હિમોગ્લોબિનમાં ફેરફારો શોધી શકે છે. અન્ય એપ્લિકેશનો ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગ તાજેતરમાં આર્ટવર્ક ડાયગ્નોસ્ટિક્સના સંદર્ભમાં રજૂ કરવામાં આવી હતી જેમાં ચિત્રોમાં અંડર્ડ્રોઇંગ અથવા મૂળ સ્કેચ રેખાઓ જેવી છુપાયેલી સુવિધાઓને ઉજાગર કરવા પર ભાર મૂકવામાં આવ્યો હતો. ફોટોકોસ્ટિક છબીઓ, કેનવાસ પર લઘુચિત્ર ઓઇલ પેઇન્ટિંગ્સમાંથી એકત્રિત કરવામાં આવી હતી, જે તેમની પાછળની બાજુએ સ્પંદિત લેસરથી પ્રકાશિત કરવામાં આવી હતી, જેમાં ઘણા રંગ સ્તરો દ્વારા કોટેડ પેન્સિલ સ્કેચ રેખાઓની હાજરી સ્પષ્ટપણે જાહેર થઈ હતી. ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગમાં પ્રગતિમાં ઊંડા શિક્ષણના સિદ્ધાંતો અને કોમ્પ્રેસ્ડ સેન્સિંગના એકીકરણ દ્વારા તાજેતરની પ્રગતિ જોવા મળી છે. ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગમાં ડીપ લર્નિંગ એપ્લિકેશન્સ વિશે વધુ માહિતી માટે, ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગમાં ડીપ લર્નિંગ જુઓ. મલ્ટીસ્પેક્ટ્રલ ઓપ્ટોએકૉસ્ટિક ટોમોગ્રાફી ફોટોએકૉસ્ટિક માઇક્રોસ્કોપી ફોટોએકૉસ્ટિક ઇમેજિંગમાં ઊંડું શિક્ષણ ફોટોએકૉસ્ટિક અસર સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ જીવવિજ્ઞાન અને દવામાં એકોસ્ટિક, એકોસ્ટો-ઓપ્ટિક અને ફોટોએકૉસ્ટિક પદ્ધતિઓના ઉપયોગમાં તાજેતરની પ્રગતિ તબીબી ઇમેજિંગ