Fotoakustyczny efekt Dopplera

Fotoakustyczny efekt Dopplera to rodzaj efektu Dopplera , który występuje, gdy fala świetlna o modulowanym natężeniu indukuje falę fotoakustyczną na poruszających się cząsteczkach o określonej częstotliwości . Zaobserwowane przesunięcie częstotliwości jest dobrym wskaźnikiem prędkości poruszających się cząstek oświetlonych. Potencjalnym zastosowaniem biomedycznym jest pomiar przepływu krwi.

W szczególności, gdy fala świetlna o modulowanym natężeniu jest wywierana na zlokalizowane medium, powstałe ciepło może wywołać naprzemienną i zlokalizowaną zmianę ciśnienia. Ta okresowa zmiana ciśnienia generuje falę akustyczną o określonej częstotliwości. Wśród różnych czynników, które określają tę częstotliwość, prędkość nagrzanego obszaru, a tym samym poruszających się cząstek w tym obszarze, może wywołać przesunięcie częstotliwości proporcjonalne do ruchu względnego. Zatem z perspektywy obserwatora obserwowane przesunięcie częstotliwości można wykorzystać do wyznaczenia prędkości oświetlonych poruszających się cząstek.

Teoria

Aby być prostym, rozważ najpierw czysty nośnik. Ośrodek zawiera małe absorbery optyczne poruszające się z wektorem prędkości ${\ displaystyle {\ vec {v}}}$ . Absorbery są naświetlane laserem o modulowanym natężeniu z częstotliwością ${\ displaystyle f_ {0}}$ . Zatem intensywność lasera można opisać wzorem:

${\ Displaystyle I = {I} _ {0} \ lewo [1 + cos \ lewo (2 \ pi f_ {0} t \ prawo) \ prawo] / 2}$

Rysunek 1: Przegląd efektu PAD

Gdy $światła$ zero, indukowana jest fala akustyczna o tej samej częstotliwości $fala$ natężenia W przeciwnym razie następuje przesunięcie częstotliwości indukowanej fali akustycznej. Wielkość przesunięcia częstotliwości zależy od prędkości względnej $,$ $\$ między prędkością a kierunkiem propagacji gęstości fotonów oraz kąta $theta}$ między prędkością a kierunkiem propagacji fali ultradźwiękowej. Przesunięcie częstotliwości jest określone przez:

$} = - f_ {0} {\ Frac {v} {c_ {0}}} sałata \ alfa + f_ {0} {\ Frac {v} {c_ {a}}} bo \$

Gdzie $a$ prędkość światła w ośrodku, $prędkość$ . Pierwszy człon po prawej stronie wyrażenia reprezentuje przesunięcie częstotliwości w fali gęstości fotonów obserwowane przez absorber działający jako ruchomy odbiornik. Drugi człon reprezentuje przesunięcie częstotliwości fali fotoakustycznej spowodowane ruchem absorberów obserwowanym przez przetwornik ultradźwiękowy .

$a}}$ $za {\ Displaystyle v \$ ponieważ i drugi termin. Dlatego powyższe równanie sprowadza się do:

$Displaystyle f_ {PAD} = f_ {0} {\ Frac {v} {c_ {a}}} sałata \ theta = {\ Frac {v} {\ lambda}} cos \ theta}$

W tym przybliżeniu na przesunięcie częstotliwości nie ma wpływu kierunek promieniowania optycznego. Wpływa na to tylko wielkość prędkości i kąt między prędkością a kierunkiem propagacji fali akustycznej.

To równanie dotyczy również ośrodka rozpraszającego. W tym przypadku fala gęstości fotonów staje się dyfuzyjna z powodu rozpraszania światła. Chociaż dyfuzyjna fala gęstości fotonów ma wolniejszą prędkość fazową niż prędkość światła, jej długość fali jest wciąż znacznie większa niż fala akustyczna.

Eksperyment

Rysunek 2: Średnie fotoakustyczne przesunięcie Dopplera w funkcji prędkości dla ośrodka rozpraszającego

W pierwszej demonstracji fotoakustycznego efektu Dopplera laser diodowy o fali ciągłej został użyty w konfiguracji mikroskopii fotoakustycznej z przetwornikiem ultradźwiękowym jako detektorem. Próbka była roztworem cząstek absorbujących poruszających się przez rurkę. Probówka znajdowała się w łaźni wodnej zawierającej cząstki rozpraszające

Rysunek 2 przedstawia zależność między średnią prędkością przepływu a eksperymentalnym przesunięciem częstotliwości Dopplera fotoakustycznego. W ośrodku rozpraszającym, takim jak eksperymentalny fantom, do absorberów dociera mniej fotonów niż w optycznie czystym ośrodku. Wpływa to na intensywność sygnału, ale nie na wielkość przesunięcia częstotliwości. Inną zademonstrowaną cechą tej techniki jest możliwość pomiaru kierunku przepływu względem detektora na podstawie znaku przesunięcia częstotliwości. Zgłoszone minimalne wykryte natężenie przepływu wynosi 0,027 mm/s w ośrodku rozpraszającym.

Aplikacja

Obiecującym zastosowaniem jest nieinwazyjny pomiar przepływu. Wiąże się to z ważnym problemem medycyny: pomiarem przepływu krwi przez tętnice , naczynia włosowate i żyły . Pomiar prędkości krwi w naczyniach włosowatych jest ważnym elementem klinicznego określania ilości tlenu dostarczanego do tkanek i jest potencjalnie ważny w diagnostyce różnych chorób, w tym cukrzycy i raka . Jednak szczególną trudność stanowi pomiar prędkości przepływu w naczyniach włosowatych jest spowodowane małą szybkością przepływu krwi i średnicą w skali mikrometra. Obrazowanie fotoakustyczne oparte na efekcie Dopplera jest obiecującą metodą pomiaru przepływu krwi w naczyniach włosowatych.

Istniejące techniki

W oparciu o ultradźwięki lub światło istnieje obecnie kilka technik stosowanych do pomiaru prędkości krwi w warunkach klinicznych lub innych rodzajów prędkości przepływu.

USG Dopplera

Technika ultrasonograficzna Dopplera wykorzystuje zmiany częstotliwości Dopplera w fali ultradźwiękowej. Technika ta jest obecnie wykorzystywana w biomedycynie do pomiaru przepływu krwi w tętnicach i żyłach . Ogranicza się do dużych prędkości przepływu ( $, które$ zwykle występują w dużych naczyniach ze względu na wysoki sygnał ultradźwiękowy tła z tkanki

Laserowa przepływometria dopplerowska

Laser Doppler Flowmetry wykorzystuje światło zamiast ultradźwięków do wykrywania prędkości przepływu. Znacznie krótsza długość fali optycznej oznacza, że ta technologia jest w stanie wykryć niskie prędkości przepływu poza zakresem ultradźwięków Dopplera . Technika ta jest jednak ograniczona wysokimi szumami tła i niskim sygnałem spowodowanym wielokrotnym rozpraszaniem . Laserowy przepływomierz Dopplera może mierzyć jedynie uśrednioną prędkość krwi w granicach 1mm ³ bez informacji o kierunku przepływu. Szerokopasmowe laserowe obrazowanie Dopplera za pomocą holografii cyfrowej z szybką kamerą może przezwyciężyć niektóre ograniczenia laserowej przepływometrii dopplerowskiej i uzyskać pomiary przepływu krwi w naczyniach powierzchownych z wyższą rozdzielczością przestrzenną i czasową.

Optyczna koherentna tomografia dopplerowska

Dopplerowska optyczna koherentna tomografia to optyczna technika pomiaru przepływu, która poprawia rozdzielczość przestrzenną laserowej przepływometrii dopplerowskiej poprzez odrzucanie wielu rozpraszających światła z koherentnym bramkowaniem. Ta technika jest w stanie wykryć prędkość przepływu tak niską, jak $razy$ $\ razy 15 \ mu}$ { m ${\ Displaystyle ^ {3}}$ . Głębokość wykrywania $jest$ współczynnikiem rozpraszania optycznego tkanki biologicznej do mm.

Fotoakustyczna przepływometria dopplerowska

Fotoakustyczny efekt Dopplera można wykorzystać do pomiaru prędkości przepływu krwi z zaletami obrazowania fotoakustycznego . Obrazowanie fotoakustyczne łączy rozdzielczość przestrzenną obrazowania ultrasonograficznego z kontrastem absorpcji optycznej w głębokich tkankach biologicznych. Ultradźwięki mają dobrą rozdzielczość przestrzenną w głębokich tkankach biologicznych, ponieważ rozpraszanie ultradźwiękowe jest znacznie słabsze niż rozpraszanie optyczne, ale jest niewrażliwe na właściwości biochemiczne. I odwrotnie, obrazowanie optyczne jest w stanie osiągnąć wysoki kontrast w tkance biologicznej dzięki wysokiej czułości na małocząsteczkowe absorbery optyczne, takie jak hemoglobina znajdująca się w czerwonych krwinkach , ale jej rozdzielczość przestrzenna jest zagrożona przez silne rozpraszanie światła w tkance biologicznej. Dzięki połączeniu obrazowania optycznego z ultradźwiękami możliwe jest uzyskanie zarówno wysokiego kontrastu, jak i rozdzielczości przestrzennej.

Fotoakustyczna przepływometria Dopplera mogłaby wykorzystać moc fotoakustyki do pomiaru prędkości przepływu, które są zwykle niedostępne dla technik opartych wyłącznie na świetle lub ultradźwiękach. Wysoka rozdzielczość przestrzenna mogłaby umożliwić zlokalizowanie tylko kilku cząstek absorbujących zlokalizowanych w pojedynczej kapilarze. Wysoki kontrast mocnych absorberów optycznych umożliwia wyraźne rozdzielenie sygnału z absorberów na tle.

Zobacz też