주파수 파장 다중화 광음향 단층 촬영

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4448(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

광음향(OA)은 여기 빛 에너지 과도 현상을 최대화하여 높은 신호 대 잡음비를 달성하기 위해 시간 영역(TD)에서 압도적으로 구현됩니다. 주파수 영역(FD)에서의 구현이 제안되었지만 신호 대 잡음비가 낮고 높은 보급률에 도달하기 위한 시간 영역 방법에 비해 경쟁 우위를 제공하지 못했습니다. 따라서 일반적으로 TD는 광음향을 수행하는 최적의 방법이라고 믿어집니다. 여기에서는 펄스열 조명과 주파수 영역 다중화를 기반으로 한 광음향 개념을 소개하고 시간 영역에 비해 이 접근 방식의 우수한 장점을 이론적으로 보여줍니다. 그런 다음 레이저 다이오드 조명의 최신 기술을 사용하여 여러 파장에서 FWMOT(Frequency Wavelength Multiplexing Optoacoustic Tomography)를 출시하고 FWMOT가 팬텀 및 가상 환경에서 시간 영역 방법에 따라 스펙트럼 측정의 신호 대 잡음비를 최적화하는 방법을 실험적으로 보여줍니다. 생체. 우리는 또한 FWMOT가 광음향학에서 시연된 것 중 가장 빠른 다중 스펙트럼 작동을 제공한다는 것을 발견했습니다.

광음향(OA) 신호를 생성하려면 에너지 과도 현상(예: 펄스 또는 정현파 조명)1을 사용하여 샘플을 조명해야 합니다. 샘플은 이러한 시변 에너지를 흡수한 후 열탄성 팽창을 통해 음파를 생성합니다2. 시간 영역(TD) OA 구현은 광음향 신호 생성에 필요한 열 및 응력 제한 제한을 충족하기 위해 나노초 지속 광 펄스3,4,5,6를 통해 큰 에너지 과도 현상을 제공합니다. 또한 나노초 지속 기간 펄스는 에너지 과도 현상을 최대화하고 신호 대 잡음비(SNR)를 최적화하여 TD를 광음향학에서 선택 영역으로 만듭니다8,9,10. TD 광음향 이미징은 민감한 초음파 변환기를 통해 조사 대상 표면의 여러 위치에서 생성된 초음파(US)의 비행 시간을 기록하고 수학적 반전을 사용하여 이러한 측정값을 3차원 맵으로 변환합니다. 광흡수11.

OCT(광간섭단층촬영) 또는 MRI(자기공명영상)와 같은 다른 영상 방식은 원래 TD에서 시연되었지만 작동을 주파수 영역(FD)으로 전환하여 영상 속도 및 SNR 측면에서 이점을 얻었습니다12,13 . 주파수 영역(FD) 광음향은 또한 이산 주파수에서 조명 강도를 변조하고 동일한 주파수에서 생성된 OA 신호를 감지함으로써 TD의 대안으로 간주되었습니다. 신호 감지는 OA 신호의 진폭과 위상을 검색하는 복조 기술을 통해 달성됩니다. 이는 TD 감지에서 흔히 사용되는 것처럼 수십 MHz 샘플링 속도로 시간 신호를 기록하는 것보다 간단하고 경제적인 기술입니다. FD는 또한 서로 다른 주파수에서 서로 다른 색상의 소스를 변조하여 여러 파장에서 동시 조명을 활성화할 수 있습니다. 이러한 장점에도 불구하고, 강도 변조된 빛14,15,16은 TD에서 사용되는 초단 펄스보다 약한 6자릿수19의 낮은 에너지 과도 현상과 해당 광음향 신호를 제공하여 FD20,21,22의 SNR을 대폭 줄입니다. 더욱이, 단일 주파수에서의 광음향 조사는 깊이 정보를 수집하지 못하거나 3차원 이미징으로 이어지지 않습니다. 우리는 최근 깊이 정보와 3차원 이미지 재구성을 위해서는 여러 개의 이산 주파수에서 신호 생성이 필요하며 이는 복잡한 방출(변조) 및 감지(복조) 방식으로 이어지는 요구 사항이라는 것을 보여주었습니다. 따라서 TD17,18,19,23,24에 비해 잠재적인 이점에도 불구하고 FD는 광음향 분야에 거의 영향을 미치지 않았습니다. 주파수 처프는 연속적으로 변하는 주파수에서 빛을 변조하여 시간을 주파수로 인코딩함으로써 하이브리드 TD-FD 방법으로도 조사되었습니다. 탐지는 시간 상관 기술을 사용하여 TD에서 수행됩니다. 그러나 FD 방법과 유사하게 사인파를 사용하면 달성된 SNR이 제한되어 실험적 조사에 대한 처프 접근 방식의 사용이 제한됩니다.