Fotoakusztikus

A fotoakusztikus (vagy optoakusztikus ) elektromágneses sugárzással megvilágított objektumban mechanikus hullámok keletkezését jelöli . Először számolt be az ilyen jellegű jelenség Alexander Graham Bell 1880-ban fedezte fel, hogy a hanghullámok is származhatnak által megvilágított tárgyakat a fény a nap.

Az 1970-es évek előtt kevés előrelépés történt a felhasználható fényforrás hiánya miatt, és csak a lézer felemelkedésével jött ki a fotoakusztikus hatás az árnyékból. Ettől kezdve a tudósok látták érdeklődését, különösen a biofizika , sőt az orvostudomány iránt. Valójában a fotoakusztikus hullámok ötvözik az optika és az akusztika előnyeit : az optikai abszorpció kontrasztja a lágy szövetek alacsony akusztikus csillapításával párosulva lehetővé teszi az orvosi képalkotásban való közvetlen alkalmazást . Ezen túlmenően, az elektromágneses frekvenciák tartománya, amely képes a látható és a rádiófrekvenciás hullámok közötti átjutásra a mikrohullámok mellett , így a képek kontrasztjait összekapcsolhatjuk különböző molekuláris és funkcionális információkkal.

Fizikai elv

Alapvetően a fotoakusztikus hatás elve egyszerű: egy tárgyban elnyelt elektromágneses hullám energiáját hővé alakítja. Amint a hőmérséklet helyileg növekszik, a szövetek hőtágulása következik be , így akusztikai hullámot generál az objektumban.

A szövetek állandó tágulása azonban nem hoz létre mechanikai hullámot, ehhez tágulási-tömörítési ciklusok szükségesek. Éppen ezért a fényforrásnak idővel változónak kell lennie. Elsősorban az elektromágneses hullám kétféle kibocsátási módját alkalmazzák: az impulzust vagy a modulált intenzitású folyamatos hullámot . De leggyakrabban azt az impulzus módot választják, amely a legjobb jel / zaj arányt adja, ugyanakkor lehetővé teszi az anyaghullámok születésének akusztikus "Dirac" modellezését is, mivel az időskála eltér az optika és az ultrahang között. Ezenkívül csak ezt a módot írják le az alábbiakban.

Elméletileg az elektromágneses hullám abszorpciója az anyag szemcsés összetételéhez kapcsolódik. Töltött részecskékből áll, mint például elektronok, ionok vagy akár magok, és a hullám rugalmas szórással , Raman-szórással , elnyeléssel stb. Az abszorpciós interakció során az elnyelt energia hővé alakulhat át , kémiai reakcióban vagy fluoreszcenciává alakul . Mindezen interakciók közül csak a hővé átalakult rész vesz részt a fotoakusztikus hatásban, és a legtöbb esetben a fotoakusztikus kísérleteknél ez a hatás dominál. A fluoreszcencia csak akkor válik fontossá, ha az alkalmazott sugárzás frekvenciája lila vagy ultraibolya, ami általában szokatlan a biomedicinában található alkalmazásokban. A fény elnyelésének képessége függ a környezeti feltételektől, az anyag molekuláris összetételétől, de az elektromágneses hullám és hullámhosszának polarizációjától is. Ez az utolsó pont azért érdekes, mert igazolja, hogy a fotoakusztika alkalmas spektroszkópiai manipulációkra .

Az emberi testben elengedhetetlen abszorber a vér, pontosabban a hemoglobin, amely két formában létezik: oxigénnel telített hemoglobin és deoxigénmentes hemoglobin , amelyeknek a test hosszától függően eltérő felszívódási jellemzői vannak. Így az emberi test abszorpciós együtthatójának előzetes értékelése nagyon nehéznek bizonyulhat; a hemoglobin példája ebben a meglepő értelemben az, hogy az arány az erek függvényében nagyon változó. ${\ displaystyle HbO_ {2}}$ ${\ displaystyle Hb}$ ${\ displaystyle {\ frac {HbO_ {2}} {Hb}}}$

A fotoakusztikus hullám előállításához az alkalmazott elektromágneses hullám impulzusának elég rövidnek kell lennie ahhoz, hogy a termikus diffúzió elhanyagolható legyen. Ezt az állapotot nevezzük hőszigetelésnek:

{\ displaystyle \ tau <\ tau _ {th} = {\ frac {d_ {c} ^ {2}} {4D_ {T}}}}

, ahol a hőszigetelési küszöb, a jellemző dimenzió és a diffúzió . Például a térbeli felbontás küszöbértéke .

{\ displaystyle \ tau _ {th}}

{\ displaystyle d_ {c}}

{\ displaystyle D_ {T}}

{\ displaystyle 50 \ mu m}

{\ displaystyle \ tau _ {th} \ simeq 4.5ms}

Az alkalmazott lézerforrások esetében az impulzus időtartama általában egy nanoszekundum vagy tíz nanoszekundum nagyságrendű, és ebben a feltételben leírható a Morse és az Uno Ingard egyenletből keletkező anyaghullám nemviszkózus és akusztikailag homogén. média:

{\ displaystyle \ nabla ^ {2} p ({\ overrightarrow {r}}, t) - {\ frac {1} {v_ {s} ^ {2}}} {\ frac {\ részleges ^ {2}} {\ részleges t ^ {2}}} p ({\ overrightarrow {r}}, t) = - {\ frac {\ béta} {C_ {p}}} {\ frac {\ részleges} {\ részleges t} } H ({\ overrightarrow {r}}, t)}

, Ahol a hő funkciót definiáljuk, mint a hőenergia által átalakított elektromágneses sugárzás, pozícióban , időpontban , egységnyi mennyiség és az idő, a hőkapacitás állandó nyomás , az az együttható, az izobár hőtágulási a és a sebesség hang a közepén.

{\ displaystyle H ({\ overrightarrow {r}}, t)}

{\ displaystyle {\ overrightarrow {r}}}

t

{\ displaystyle C_ {p}}

{\ displaystyle JK ^ {- 1} .kg ^ {- 1}}

\ béta

{\ displaystyle K ^ {- 1}}

v _ {{s}}

A szövetben keletkező hő mennyisége általában arányos a kapott sugárzás teljesítményével. Ezért megmagyarázhatjuk a hőfunkciót:

{\ displaystyle H ({\ overrightarrow {r}}, t) = \ mu _ {a} ({\ overrightarrow {r}}). \ Phi ({\ overrightarrow {r}}, t)}

, ahol a helyi optikai abszorpciós együttható és az optikai fluencia.

{\ displaystyle \ mu _ {a} ({\ overrightarrow {r}})}

{\ displaystyle \ Phi ({\ overrightarrow {r}}, t)}

A legtöbb esetben az elektromágneses impulzus olyan rövid, hogy nemcsak a termikus diffúzió, hanem az abszorber tágulása is elhanyagolható. Ezt az állapotot, tükrözve azt a tényt, hogy a szöveteknek nincs ideje kitágulni a melegítés során, akusztikus stressz-visszatartó állapotnak nevezzük:

{\ displaystyle \ tau <\ tau _ {st} = {\ frac {d_ {c}} {v_ {s}}}}

, hol van a stressz-korlátozási küszöb.

{\ displaystyle \ tau _ {st}}

E két, korábban látott feltétel alapján a fűtési idő delta függvényként kezelhető, vagyis:

{\ displaystyle H ({\ overrightarrow {r}}, t) \ simeq A ({\ overrightarrow {r}}). \ delta (t)}

Ilyen körülmények között kimutatható, hogy az abszorberben az elektromágneses sugárzás abszorpciója után a Morse és Uno Ingard hullámegyenletből számított kezdeti nyomás : ${\ displaystyle p_ {0}}$

{\ displaystyle p_ {0} ({\ overrightarrow {r}}) = \ Gamma .A ({\ overrightarrow {r}})}

, hol van a Grüneisen paraméter (alacsony hőmérsékletű lágy szövetek esetén )

\Gamma

{\ displaystyle \ Gamma \ simeq 0,25}

A fent megállapított fotoakusztikus hullámegyenlet általános esetben Green funkciója segítségével megoldható . A megoldás a következő:

{\ displaystyle p ({\ overrightarrow {r}}, t) = {\ frac {1} {4 \ pi v_ {s} ^ {2}}} {\ frac {\ partial} {\ részleges t}} [ {\ frac {1} {v_ {s} t}} \ int {\ overrightarrow {dr '}} p_ {0} ({\ overrightarrow {r'}}) \ delta (t - {\ frac {\ mid { \ overrightarrow {r}} - {\ overrightarrow {r '}} \ mid} {v_ {s}}})]}

Ez utóbbi egyenlet a gyakorlatban azt jelenti, hogy a pontban és az időben észlelt nyomás egy gömb alakú forrásból származik , amelynek sugara körül van . Ezenkívül számos más tulajdonság jellemzi ezt a fotoakusztikus hullámot egyszerűsített esetben egyetlen gömb alakú és egyenletes elnyelő forrás esetén: a kezdeti nyomás mindig pozitív, majd negatív amplitúdót vesz fel, ez egy bipoláris forma, másodszor a nyomás értéke hozzávetőlegesen arányos az elnyelő méretével és fordítottan arányos az adott forrástól való távolsággal, végül harmadsorban az egyetlen forrásból származó fotoakusztikus jel időbeli szélessége arányos a méretével, ami d 'más értelemben azt jelenti, hogy minél kisebb a abszorber, annál inkább a kibocsátott hanghullám spektruma tartalmaz magas frekvenciájú komponenseket. $\ overrightarrow {r}$ $t$ ${\ displaystyle {\ overrightarrow {r '}}}$ ${\ displaystyle v_ {s} .t}$

A fényközegben a látható nagyságrendű frekvencián történő terjedést a sugárzási átviteli egyenlet szabályozza , amely magában foglalja a szórási együtthatót és az abszorpciós együtthatót . A csillapítás tehát mind az abszorpciótól, mind a szétszóródástól függ, ez utóbbi nagyon erős a biológiai szövetekben, de a hullámhosszal alig változik, míg az abszorpciós együttható tízszer alacsonyabb, de nagyon erősen változik a hullámhosszal. ${\ displaystyle \ mu _ {s}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {a}}$

A fénytől eltérően, amely a szöveteken keresztül terjedve erős szóródáson megy keresztül, az akusztikus hullámoknak sokkal alacsonyabb a szórási együtthatója. A legtöbb kísérlet során a hang diffúziója figyelmen kívül hagyható a lágy szövetekben, éppúgy, mint a fotoakusztikában nevetségesen alacsony nyomás, a nemlineáris terjedés hatása. Az akusztikus csillapítást azonban figyelembe kell venni, különösen nagy frekvencián vagy erősen nedvszívó környezetben, például csontokban. Lágy szöveteknél és az orvostudományban alkalmazott frekvenciák esetén a csillapítási együttható kb . ${\ displaystyle -0,3dB.MHz ^ {- 1} .cm ^ {- 1}}$

Ezenkívül a fotoakusztikus hullámok detektálásának egy másik problémája is felmerül, amelyet közvetett módon a csillapítás okoz: mivel ez a lágy biológiai szövetek frekvenciájával növekszik, ez utóbbi aluláteresztő szűrőként funkcionál a hanghullámokon. csökkenti a legmélyebben elnyelő objektumok térbeli felbontását. Így a fotoakusztikus hullám nemcsak az amplitúdóját, hanem az időbeli profilját is módosítja a csillapítás.

Végül a fotoakusztikus hullámok detektálási mélységét korlátozzák a fénysugárzás abszorpciója és szétszóródása, valamint az ultrahangos csillapítás következtében.

Alkalmazások

A 2000-es évek óta számos tudományos publikáció jelent meg a képalkotó képalkotás orvosi alkalmazásával kapcsolatban a képalkotás területén , amelyet klinikai szinten még nem alkalmaztak.

Orvosi szempontból a fotoakusztika az echográfiai képalkotás javulásának tekinthető kémiai szelektivitással: a különböző lézer hullámhosszúságú szövetek izgalmával megkülönböztethetjük az oxigénes és nem oxigénes hemoglobint vagy akár azokat. Ez a képesség új diagnosztikai lehetőségeket nyit meg, például azáltal, hogy könnyebben megkülönbözteti a rákos daganatokat vagy az aneurysma szakadásának veszélyét hordozó plakkokat.

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Akusztika-optika
Optoelasztográfia

Bibliográfia

Gusev VE, Karabutov AA, Lézeres Optoakusztika , Amerikai Fizikai Intézet 1992
Beard P., Orvosbiológiai fotoakusztikus képalkotás , Interface Focus 1 602-603 (2011)
Li C., Wang LV, Fotoakusztikus tomográfia és érzékelés a biomedicinában , Phys. Med. Biol. 54 (2009) R59 - R97
Hemoglobin oxigéntelítettség-variációk képalkotása az egyes edényekben in vivo fotoakusztikus mikroszkóppal, Zhang et Al, Applied Physics Letters (kötet: 90, 5. szám)
Humán koszorúér-érelmeszesedés intravaszkuláris fotoakusztikus képalkotása, Jansen et al., Proc. SPIE 7899, Photons Plus Ultrahang: Képalkotás és érzékelés 2011, 789904 (2011. február 28.); doi: 10.1117 / 12.871382