光音響イメージングの原理

光音響イメージングの原理

光音響イメージング (PAI) は、以下を組み合わせた医療画像技術です。光学と音響の相互作用を利用して超音波信号を生成します。ライト組織を使用して高解像度の組織画像を取得します。生物医学分野、特に腫瘍検出、血管イメージング、皮膚イメージングなどの分野で広く使用されています。

原理：
1. 光吸収と熱膨張: – 光音響イメージングは​​、光吸収によって生じる熱効果を使用します。組織内の色素分子（ヘモグロビン、メラニンなど）は光子（通常は近赤外線）を吸収し、光子は熱エネルギーに変換され、局所的な温度の上昇を引き起こします。
2. 熱膨張により超音波が発生します。 – 温度上昇により組織がわずかに熱膨張し、圧力波 (つまり超音波) が発生します。
3. 超音波検出: – 生成された超音波は組織内を伝播し、その後これらの信号が超音波センサー (超音波プローブなど) によって受信および記録されます。
4. 画像再構成: 収集された超音波信号が計算および処理されて、組織の構造および機能画像が再構築され、組織の光吸収特性が得られます。光音響イメージングの利点: 高コントラスト: 光音響イメージングは​​組織の光吸収特性に依存しており、異なる組織 (血液、脂肪、筋肉など) は光を吸収する能力が異なるため、高コントラストの画像を提供できます。高解像度: 超音波の高い空間解像度を利用して、光音響イメージングは​​ミリメートルまたはサブミリメートルのイメージング精度を達成できます。非侵襲性: 光音響イメージングは​​非侵襲性であり、光と音は組織損傷を引き起こさないため、人間の医療診断に非常に適しています。深度イメージング機能: 従来の光学イメージングと比較して、光音響イメージングは​​皮膚の下数センチメートルを透過できるため、深部組織のイメージングに適しています。

応用：
1. 血管イメージング: – 光音響イメージングは​​血液中のヘモグロビンの光吸収特性を検出できるため、微小循環のモニタリングや疾患の判断のために血管の構造と酸素化状態を正確に表示できます。
2. 腫瘍の検出: – 腫瘍組織における血管新生は通常非常に豊富であり、光音響イメージングは​​血管構造の異常を検出することで腫瘍の早期検出に役立ちます。
3. 機能イメージング: – 光音響イメージングは​​、組織内の酸素化およびデオキシヘモグロビンの濃度を検出することにより、組織の酸素供給を評価できます。これは、がんや心血管疾患などの疾患の機能モニタリングにとって非常に重要です。
4. 皮膚イメージング: – 光音響イメージングは​​表層組織に非常に敏感であるため、皮膚がんの早期検出や皮膚異常の分析に適しています。
5. 脳イメージング: 光音響イメージングは​​、脳卒中やてんかんなどの脳疾患の研究のために、非侵襲的な方法で脳血流情報を取得できます。

光音響イメージングの課題と開発の方向性:
光源選択: 異なる波長の光の透過は異なります。適切な波長バランスの分解能と透過深さを選択する方法が課題です。信号処理：超音波信号の取得と処理には高速かつ正確なアルゴリズムが必要であり、画像再構成技術の開発も重要です。マルチモーダルイメージング: 光音響イメージングを他のイメージングモダリティ (MRI、CT、超音波イメージングなど) と組み合わせて、より包括的な生体医学情報を提供できます。

光音響イメージングは​​、高コントラスト、高解像度、非侵襲性という特徴を備えた、新しい多機能生体医学イメージング技術です。技術の発展に伴い、光音響イメージングは​​医療診断、基礎生物学研究、創薬などの分野で幅広い応用が期待されています。