Thermoacoustic imaging
थर्मोएकॉस्टिक इमेजिंग को मूल रूप से 1981 में थियोडोर बोवेन द्वारा किसी भी प्रकार के विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उपयोग करके मानव ऊतक के अवशोषण गुणों का अध्ययन करने की रणनीति के रूप में प्रस्तावित किया गया था। लेकिन अलेक्जेंडर ग्राहम बेल ने सबसे पहले उस भौतिक सिद्धांत की सूचना दी जिस पर थर्मोएकॉस्टिक इमेजिंग एक सदी पहले आधारित है। उन्होंने देखा कि रबड़ की चादर पर सूर्य के प्रकाश की एक रुक-रुक कर किरण को रोशन करके श्रव्य ध्वनि पैदा की जा सकती है। बोवेन के काम के प्रकाशित होने के कुछ ही समय बाद, अन्य शोधकर्ताओं ने माइक्रोवेव का उपयोग करके थर्मोएकॉस्टिक इमेजिंग के लिए कार्यप्रणाली का प्रस्ताव रखा। 1994 में शोधकर्ताओं ने एक ऊतक-नकल करने वाले प्रेत में निकट-अवरक्त ऑप्टिकल अवशोषण की पहली थर्मोएकॉस्टिक छवियों का उत्पादन करने के लिए एक अवरक्त लेजर का उपयोग किया, हालांकि दो आयामों (2डी) में। 1995 में अन्य शोधकर्ताओं ने एक सामान्य पुनर्निर्माण एल्गोरिदम तैयार किया जिसके द्वारा 2डी थर्मोएकॉस्टिक छवियों की गणना उनके "अनुमानों" से की जा सकती है, अर्थात। थर्मोएकॉस्टिक कम्प्यूटेड टोमोग्राफी (टी. सी. टी.)। 1998 तक इंडियाना यूनिवर्सिटी मेडिकल सेंटर के शोधकर्ताओं ने टी. सी. टी. को 3डी तक बढ़ाया और जैविक ऊतक की पहली पूरी तरह से त्रि-आयामी (3डी) थर्मोएकॉस्टिक छवियों का उत्पादन करने के लिए स्पंदित माइक्रोवेव को नियोजित किया। 1)]। अगले वर्ष उन्होंने मानव स्तन में कैंसर की पहली पूरी तरह से 3डी थर्मोएकॉस्टिक छवियां बनाई, फिर से स्पंदित माइक्रोवेव का उपयोग किया (चित्र। 2)। उस समय से, थर्मोएकॉस्टिक इमेजिंग ने दुनिया भर के अनुसंधान संस्थानों में व्यापक लोकप्रियता हासिल की है। 2008 तक, तीन कंपनियां वाणिज्यिक थर्मोएकॉस्टिक इमेजिंग सिस्टम विकसित कर रही थीं-सेनो मेडिकल, एंड्रा, इंक. और ऑप्टोसोनिक्स, इंक. थर्मोएकॉस्टिक तरंग उत्पादन ध्वनि, जो एक दबाव तरंग के रूप में फैलती है, जैविक ऊतक सहित लगभग किसी भी सामग्री में प्रेरित की जा सकती है, जब भी समय-परिवर्तनशील विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा अवशोषित होती है। इन ऊष्मीय रूप से उत्पन्न ध्वनिक तरंगों को प्रेरित करने वाला उत्तेजक विकिरण विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम में कहीं भी हो सकता है, उच्च-ऊर्जा आयनीकरण कणों से लेकर कम-ऊर्जा वाली रेडियो तरंगों तक। "फोटोएकॉस्टिक" शब्द (बायोमेडिसिन में फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग देखें) इस घटना पर लागू होता है जब उत्तेजक विकिरण ऑप्टिकल होता है, जबकि "थर्मोएकॉस्टिक" अधिक सामान्य शब्द है और ऑप्टिकल सहित सभी विकिरण स्रोतों को संदर्भित करता है। जिस प्रक्रिया से ऊष्मीय तरंगें उत्पन्न होती हैं, उसे चित्र 3 में दर्शाया गया है। इसे चार-चरणीय प्रक्रिया के रूप में समझा जा सकता हैः जैविक ऊतक को एक ऊर्जा स्रोत द्वारा विकिरणित किया जाता है जिसे शरीर द्वारा अवशोषित किया जाता है। ऊर्जा का स्रोत गैर-विशिष्ट है, लेकिन आमतौर पर इसमें अवरक्त, रेडियो तरंगों या माइक्रोवेव के पास दृश्यमान प्रकाश होता है। अवशोषित ऊर्जा गर्मी में परिवर्तित हो जाती है, जो ऊतक के तापमान को बढ़ाती है, आमतौर पर 0.001 डिग्री सेल्सियस से कम। ऊतक के तापमान में वृद्धि के कारण ऊतक की मात्रा में विस्तार होता है, हालांकि थोड़ा सा। यह यांत्रिक विस्तार एक ध्वनिक तरंग उत्पन्न करता है जो जैविक ऊतक में ध्वनि के वेग से ऊर्जा अवशोषण स्थल से सभी दिशाओं में बाहर की ओर फैलती है, लगभग 1.5 मिमी प्रति माइक्रोसेकंड। जब ऊतक को एक नाड़ी के साथ विकिरणित किया जाता है, तो ध्वनिक तरंग की विशेषता वाली ध्वनिक आवृत्तियाँ शून्य से 1/(नाड़ी की चौड़ाई) तक होती हैं। उदाहरण के लिए, एक माइक्रोसेकंड पल्स शून्य से लगभग 1 मेगाहर्ट्ज (मेगाहर्ट्ज) तक ध्वनिक आवृत्तियों का उत्पादन करता है। छोटी दालें ध्वनिक आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला का उत्पादन करती हैं। 1 मेगाहर्ट्ज से अधिक आवृत्ति को अल्ट्रासोनिक के रूप में संदर्भित किया जाता है, और ये चिकित्सा अल्ट्रासाउंड अनुप्रयोगों से भी जुड़े होते हैं। छवि निर्माण के सिद्धांत किसी भी थर्मोएकॉस्टिक इमेजिंग उपकरण के लिए अध्ययन की जा रही शरीर रचना को ऊर्जा प्रदान करने के लिए विद्युत चुम्बकीय विकिरण के स्रोत की आवश्यकता होती है, चाहे वह लेजर हो या माइक्रोवेव एंटीना, और एक या एक से अधिक ध्वनिक डिटेक्टर शरीर रचना विज्ञान की बाहरी सतह पर ध्वनिक रूप से युग्मित होते हैं, जैसा कि चित्र में दर्शाया गया है। 4. विशिष्ट ध्वनिक डिटेक्टर एक अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर है, जो आमतौर पर एक पीजो-इलेक्ट्रिक सामग्री से बना होता है जो पता लगाए गए दबाव को विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है। थर्मोएकॉस्टिक तरंगें शरीर रचना विज्ञान के भीतर प्रेरित होती हैं जहां भी अवशोषण होता है, और इन थर्मोएकॉस्टिक तरंगों की ताकत ऊतक के भीतर अवशोषित ऊर्जा के समानुपाती होती है। इनमें से कुछ तरंगें एक या अधिक ध्वनिक ट्रांसड्यूसर द्वारा पता लगाने से पहले कुछ समय अंतराल (उड़ान के समय) में शरीर रचना विज्ञान के माध्यम से फैलती हैं। उड़ान का सटीक समय एक अवशोषण स्थल और एक ट्रांसड्यूसर के बीच की दूरी के समानुपाती होता है, यह मानते हुए कि प्रत्येक ट्रांसड्यूसर एक बिंदु डिटेक्टर है। उड़ान के किसी भी समय के लिए, प्रत्येक ट्रांसड्यूसर डिटेक्टर से उसी दूरी पर उत्पन्न होने वाली थर्मोएकॉस्टिक तरंगों का योग प्राप्त करेगा जैसा कि चित्र में दर्शाया गया है। 5. इस कारण से, एक बिंदु ट्रांसड्यूसर के साथ एक अवशोषण स्थल को स्थानीयकृत करने का प्रयास करते समय अस्पष्टता उत्पन्न होती है। इस अस्पष्टता को कम करने के लिए विभिन्न रणनीतियों का उपयोग किया गया है। डिटेक्टर ज्यामिति तीन सामान्य डिटेक्टर विन्यासों का उपयोग किया गया हैः एक गोलाकार केंद्रित ट्रांसड्यूसर; एक आयाम में केंद्रित ट्रांसड्यूसरों की एक रैखिक (या वक्र-रैखिक) सरणी; या, गैर-केंद्रित ट्रांसड्यूसरों की एक 2डी सरणी। सामान्य तौर पर, एक एकल, केंद्रित ट्रांसड्यूसर एक 3डी आयतन के माध्यम से एक एकल रेखा की छवि बना सकता है। एक रैखिक (1डी) सरणी, चाहे वह सीधी हो या घुमावदार, एक 2डी तल की छवि ले सकती है, लेकिन एक पूर्ण 3डी आयतन की छवि के लिए ट्रांसड्यूसर की 2डी सरणी की आवश्यकता होती है। एक गोलाकार रूप से केंद्रित ट्रांसड्यूसर अपने केंद्र बिंदु से गुजरने वाली रेखा के साथ उत्पन्न होने वाली थर्मोएकॉस्टिक तरंगों के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होता है। उड़ान के समय की जानकारी का उपयोग इस रेखा के साथ थर्मोएकॉस्टिक संकेत शक्ति का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है। एक 2डी छवि को एक रैखिक पथ के साथ पार्श्व रूप से केंद्रित ट्रांसड्यूसर का अनुवाद करके एक समय पर एक पंक्ति में इकट्ठा किया जा सकता है। 2डी तल के भीतर एक आयताकार पथ के साथ ट्रांसड्यूसर को स्कैन करके एक 3डी छवि बनाई जा सकती है। फोकस की रेखा (अक्षीय संकल्प) के साथ थर्मोएकॉस्टिक संकेतों को अलग करने की क्षमता थर्मोएकॉस्टिक संकेतों को फोकस की रेखा (पार्श्व संकल्प) से पार करने की तुलना में बेहतर है। इस कारण से इस दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए पार्श्व स्थानिक संकल्प अक्षीय स्थानिक संकल्प की तुलना में तीन से चार गुना खराब है। रैखिक सरणी रैखिक ट्रांसड्यूसर सरणी (घुमावदार और सीधी दोनों) का उपयोग आमतौर पर पारंपरिक चिकित्सा अल्ट्रासाउंड में किया जाता है। वे विभिन्न आकारों और आकारों में उपलब्ध हैं। इन्हें थर्मोएकॉस्टिक इमेजिंग में उपयोग के लिए आसानी से अनुकूलित किया जाता है। चित्र 7 बताता है कि 2डी थर्मोएकॉस्टिक इमेजिंग के लिए एक रैखिक सरणी का उपयोग कैसे किया जाता है। सरणी में कई तत्व (64-256) होते हैं जो सरणी के सामने वाले चेहरे से बाहर की ओर फैले 2डी तल के भीतर अधिकतम संवेदनशीलता बनाए रखने के लिए ऊर्ध्वाधर आयाम में केंद्रित होते हैं। समतल के भीतर थर्मोएकॉस्टिक संकेतों को समतल के भीतर प्रत्येक स्थिति से सरणी के प्रत्येक तत्व (तीर, चित्र) के लिए उड़ान के समय की गणना करके स्थानीयकृत किया जाता है। 7)। 2डी सरणी विद्युत चुम्बकीय अवशोषण का एक सटीक 3डी मानचित्र बनाने के लिए पर्याप्त थर्मोएकॉस्टिक डेटा को पकड़ने के लिए, ट्रांसड्यूसरों की 2डी सरणी के साथ छवि बनाई जा रही शरीर रचना को घेरना आवश्यक है। दुनिया का पहला 3डी थर्मोएकॉस्टिक पशु स्कैनर (चित्र। 8: बाएँ पैनल) ने 128 ट्रांसड्यूसरों की एक बेलनाकार सरणी (चित्र। 8: केंद्र पैनल) ऊर्ध्वाधर अक्ष के बारे में जानवर के घूर्णन के साथ। शुद्ध परिणाम जानवर की छवि के आसपास एक गोले की सतह पर थर्मोएकॉस्टिक डेटा को पकड़ने के लिए था (चित्र। 8: दाएँ पैनल)। यह उपकरण 1/3 मिलीमीटर जितनी छोटी संरचनाओं को देखने में सक्षम था। माउस के सिर में वास्कुलेचर की एक एनिमेटेड 3डी छवि चित्र में प्रदर्शित की गई है। 9. इस एनिमेटेड छवि को 800 एनएम पर निकट अवरक्त विकिरण का उपयोग करके प्राप्त किया गया था, जहां रक्त द्वारा ऑप्टिकल अवशोषण आसपास के ऊतकों की तुलना में अधिक होता है। इसलिए, वास्कुलेचर को अधिमानतः देखा जाता है। मानव स्तन की 3डी थर्मोएकॉस्टिक छवियाँ बनाने के लिए भी माइक्रोवेव का उपयोग किया गया है। ऐसा करने वाले पहले उपकरणों में से एक को चित्र में दर्शाया गया है। 10. इसमें आठ वेवगाइडों की एक श्रृंखला शामिल थी, जो स्तन में माइक्रोवेव ऊर्जा को निर्देशित करती थी। स्तन की आंतरिक संरचनाओं के पुनर्निर्माण के लिए पर्याप्त डेटा प्राप्त करने के लिए एक ट्रांसड्यूसर सरणी को वेवगाइड के साथ समकालिकता में घुमाया गया था। चित्र 11 एक सामान्य स्तन में विशिष्ट ग्रंथि संबंधी ऊतक पैटर्न का एक एनीमेशन दिखाता है। संदर्भ आगे पढ़ने के लिए मेडिकल इमेजिंग