光音響イメージング

光音響イメージング
光音響イメージングの模式図
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光音響イメージングまたは光音響イメージングは​​、光音響効果に基づく生物医学イメージング手法です。非電離レーザーパルスが生物組織に照射され、エネルギーの一部が吸収されて熱に変換され、過渡的な熱弾性膨張と広帯域（MHz）超音波放射を引き起こします。生成された超音波は超音波トランスデューサーによって検出され、分析されて画像が生成されます。光吸収は、ヘモグロビン濃度や酸素飽和度などの生理学的特性と密接に関連していることが知られています。^[1]その結果、局所的なエネルギー蓄積に比例する超音波放射（光音響信号）の大きさは、生理学的に特異的な光吸収コントラストを明らかにします。その後、対象領域の2Dまたは3D画像を形成できます。^[2]

生物組織における光吸収は、ヘモグロビンやメラニンなどの内因性分子、または外因的に送達された造影剤に起因する可能性があります。例として、図2は、可視および近赤外領域における酸素化ヘモグロビン（HbO ₂）と脱酸素化ヘモグロビン（Hb）の光吸収スペクトルを示しています。 ^[3]血液は通常、周囲の組織よりも桁違いに高い吸収を持っているため、光音響イメージングで血管を可視化するのに十分な内因性コントラストがあります。最近の研究では、光音響イメージングは​​、腫瘍血管新生モニタリング、血液酸素化マッピング、機能的脳イメージング、皮膚黒色腫検出、メトヘモグロビン測定などに生体内で^{使用できることが示されています。 [2]}

光音響イメージング システムには、光音響/熱音響コンピューター断層撮影(光音響/熱音響断層撮影、つまり PAT/TAT とも呼ばれる) と光音響顕微鏡(PAM) の 2 種類が開発されています。一般的な PAT システムでは、非焦点超音波検出器を使用して光音響信号を取得し、光音響方程式を逆に解くことで画像を再構成します。一方、PAM システムでは、2D ポイントごとのスキャンを行う球面焦点超音波検出器を使用し、再構成アルゴリズムは必要ありません。

加熱関数が与えられた場合、音響的に均質な非粘性媒体における 光音響波圧の発生と伝播は、${\displaystyle H({\vec {r}},t)}$${\displaystyle p({\vec {r}},t)}$

${\displaystyle \nabla^{2}p({\vec{r}},t)-{\frac{1}{v_{s}^{2}}}{\frac{\partial^{2}}{\partial{t^{2}}}}p({\vec{r}},t)=-{\frac{\beta}{C_{p}}}{\frac{\partial}{\partialt}}H({\vec{r}},t)\qquad\qquad\quad\quad(1),}$

ここで、は媒体中の音速、は熱膨張係数、は定圧における比熱容量である。式（１）は熱閉じ込めの下で成り立ち、レーザーパルス励起中の熱伝導が無視できることを保証する。熱閉じ込めはレーザーパルス幅が熱緩和時間よりもはるかに短いときに起こる。^[4]${\displaystyle v_{s}}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle C_{p}}$

式(1)の順方向解は次のように与えられる。

${\displaystyle \left.p({\vec {r}},t)={\frac {\beta }{4\pi C_{p}}}\int {\frac {d{\vec {r'}}}{|{\vec {r}}-{\vec {r'}}|}}{\frac {\partial H({\vec {r'}},t')}{\partial t'}}\right|_{t'=t-|{\vec {r}}-{\vec {r'}}|/v_{s}}\qquad \quad \,\,\,\,(2).}$

レーザーパルス幅が応力緩和時間よりもはるかに短い場合に発生する応力閉じ込めでは、^[4]式（2）はさらに次のように導出される。

${\displaystyle p({\vec {r}},t)={\frac {1}{4\pi v_{s}^{2}}}{\frac {\partial }{\partial t}}\left[{\frac {1}{v_{s}t}}\int d{\vec {r'}}p_{0}({\vec {r'}})\delta \left(t-{\frac {|{\vec {r}}-{\vec {r'}}|}{v_{s}}}\right)\right]\qquad \,(3),}$

ここで、初期の光音響圧力です。 ${\displaystyle p_{0}}$

PATシステムでは、光音響源を囲む表面上で超音波トランスデューサを走査することによって音圧が検出されます。内部音源分布を再構成するには、式(3)の逆問題を解く必要があります(つまり、 を取得します)。PAT再構成に適用される代表的な方法は、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムとして知られています。^[5]この方法は、平面、球面、円筒面の3つの画像化ジオメトリに適しています。 ${\displaystyle p_{0}}$

普遍的な逆投影式は

${\displaystyle \left.p_{0}({\vec {r}})=\int _{\Omega _{0}}{\frac {d\Omega _{0}}{\Omega _{0}}}\left[2p({\vec {r_{0}}},v_{s}t)-2v_{s}t{\frac {\partial p({\vec {r_{0}}},v_{s}t)}{\partial (v_{s}t)}}\right]\right|_{t=|{\vec {r}}-{\vec {r_{0}}}|/v_{s}},\qquad \quad (4),}$

ここで、は内部の再構成点に対する表面全体の成す立体角であり、 ${\displaystyle \オメガ_{0}}$${\displaystyle S_{0}}$${\displaystyle {\vec {r}}}$${\displaystyle S_{0}}$

${\displaystyle d\Omega _{0}={\frac {dS_{0}}{|{\vec {r}}-{\vec {r_{0}}}|^{2}}}{\frac {{\hat {n}}_{0}^{s}.({\vec {r}}-{\vec {r_{0}}})}{|{\vec {r}}-{\ベック{r_{0}}}|}}。}$

シンプルな PAT/TAT/OAT システムを、図 3 の左側に示します。^{[どこ ? ]}レーザー ビームは、対象領域全体をカバーするように拡大および拡散されます。光音響波は、ターゲット内の光吸収の分布に比例して生成され、単一の走査型超音波トランスデューサによって検出されます。TAT/OAT システムは、レーザーの代わりにマイクロ波励起源を使用する点を除いて、PAT と同じです。これら 2 つのシステムでは単一要素トランスデューサが採用されていますが、検出方式を拡張して超音波アレイを使用することもできます。

固有の光またはマイクロ波吸収コントラストと超音波の回折限界の高い空間分解能により、PAT と TAT は幅広い生物医学的用途に有望な画像診断法となります。

脳内の異なる光吸収特性を持つ軟部組織はPATによって明確に識別できる。^[6]

HbO ₂と Hb は可視スペクトル範囲で生物組織の主要な吸収化合物であるため、多波長光音響測定を使用して、これら 2 つの発色団の相対濃度を明らかにすることができます。^{[6] [7]}したがって、ヘモグロビンの相対的な総濃度 (HbT) とヘモグロビン酸素飽和度(sO ₂ ) を導き出すことができます。したがって、脳機能に関連する脳血行動態の変化は、PAT でうまく検出できます。

TATは、低散乱マイクロ波を励起に利用することで、数cmの厚さの生物組織をmm未満の空間分解能で透過することができます。^[8]癌組織と正常組織は無線周波数放射線に対してほぼ同じ反応を示すため、TATは乳癌の早期診断には限界があります。

光音響顕微鏡の画像化深度は、主に超音波減衰によって制限されます。空間解像度 (つまり、軸方向と横方向) は、使用する超音波トランスデューサによって異なります。高い軸方向解像度を得るには、中心周波数が高く、帯域幅が広い超音波トランスデューサを選択します。横方向解像度は、トランスデューサの焦点直径によって決まります。たとえば、50 MHz の超音波トランスデューサは、約 3 mm の画像化深度で、15 マイクロメートルの軸方向解像度と 45 マイクロメートルの横方向解像度を提供します。

光音響顕微鏡は機能イメージングにおいて重要な用途が複数あり、小血管内の酸素化/脱酸素化ヘモグロビンの変化を検出することができます。^{[9] [10]}

光音響イメージングは​​、絵画の下絵やオリジナルのスケッチ線などの隠れた特徴を明らかにすることに重点を置いた芸術作品の診断の文脈で最近導入されました。キャンバスに描かれたミニチュア油絵から収集された光音響画像は、裏面からパルスレーザーで照らされ、いくつかの塗料層で覆われた鉛筆のスケッチ線の存在をはっきりと示しました。^[11]

光音響イメージングは​​、ディープラーニングの原理と圧縮センシングの統合により、最近進歩を遂げています。光音響イメージングにおけるディープラーニングの応用の詳細については、「光音響イメージングにおけるディープラーニング」を参照してください。

• マルチスペクトル光音響トモグラフィー
• 光音響顕微鏡
• 光音響イメージングにおけるディープラーニング
• 光音響効果

• 生物学と医学における音響、音響光学、光音響法の応用における最近の進歩