Tomografia optyczna modulowana ultradźwiękami

Tomografia optyczna modulowana ultradźwiękami
Tomografia optyczna modulowana ultradźwiękami
Zamiar	obrazowanie tkanek miękkich

Tomografia optyczna modulowana ultradźwiękami ( UOT ) jest formą tomografii wykorzystującą ultradźwięki . Jest stosowany w obrazowaniu biologicznych tkanek miękkich i ma potencjalne zastosowania we wczesnym wykrywaniu raka . Podobnie jak techniki optyczne, metoda ta zapewnia wysoki kontrast , a zastosowanie ultradźwięków zapewnia również wysoką rozdzielczość .

Korzyść

W porównaniu z tradycyjną technologią optyczną UOT zapewnia wystarczającą głębokość penetracji. UOT opiera się na wszystkich fotonach w głębokiej tkance. Bez względu na to, ile razy fotony zostaną rozproszone, dopóki nie zostaną wchłonięte, fotony te są nadal przydatne w UOT. Dzięki zastosowaniu tej metody możliwe jest generowanie obrazów w warstwie quasi-dyfuzyjnej lub dyfuzyjnej tkanki biologicznej.

Podstawowe koncepcje

UOT opiera się zasadniczo na modulacji światła spowodowanej efektem fali ultradźwiękowej zachodzącej w ośrodku testowym. Cel w ośrodku testowym zostanie napromieniowany wiązką laserową i skupioną falą ultradźwiękową. Reemitowane światło rozchodzące się przez falę ultradźwiękową będzie wówczas przenosić informacje o lokalnych właściwościach optycznych i akustycznych. Właściwości te posłużą do zregenerowania obrazów przedstawiających widok wnętrza nośnika.

Mechanizmy

Za technologią UOT stoją trzy ważne mechanizmy.

1 Niespójna modulacja światła spowodowana zmianami właściwości optycznych ośrodka wywołanymi ultradźwiękami. Mechanizm ten opisuje głównie to, że gdy fala ultradźwiękowa rozchodzi się przez ośrodek, gęstość masy ośrodka zostanie zmieniona z powodu wibracji. Ta zmiana gęstości masy wpłynie następnie na lokalne właściwości optyczne. Na przykład, lokalny współczynnik absorpcji, współczynnik rozpraszania i współczynnik załamania będą modulowane. Przy różnych właściwościach optycznych właściwości reemitowanego światła (takie jak intensywność) będą modyfikowane.

2 Zmiany fazy optycznej w odpowiedzi na przemieszczenia rozpraszaczy wywołane ultradźwiękami. Mechanizm ten opisuje efekt głównie w ujęciu mikrokosmicznym. Wraz z wibracją zogniskowanych ultradźwięków lokalne rozpraszacze w ośrodku zostaną przesunięte. Kiedy spójne światło przechodzi przez taki obszar, przemieszczenie rozpraszaczy spowoduje zmianę faz optycznych, a następnie dalszą modulację długości swobodnej drogi światła. W końcu ponownie emitowane światło utworzy wzór plamek.

3 Zmiany fazy optycznej w odpowiedzi na ultradźwiękową modulację współczynnika załamania światła tła. Podobnie jak w przypadku drugiego mechanizmu, modulacja gęstości masy spowodowana wibracjami fali ultradźwiękowej będzie również modulować współczynnik załamania ośrodka. Efekt ten może dodatkowo wpływać na fazy swobodnej ścieżki, gdy światło przechodzi przez obszar ultradźwiękowy i tworzy wzór plamek.

Podsumowując, trzy mechanizmy opisują głównie to, że fala ultradźwiękowa może modulować i zmieniać intensywność światła (w mechanizmie 1), fazę światła i tworzyć wzór plamek (mechanizm 2 i 3). Te trzy mechanizmy to podstawowa wiedza stosowana do budowy systemu UOT. Warto wspomnieć, że w tych trzech mechanizmach tylko pierwszy nie wymaga źródła światła spójnego. Mechanizmy 2 i 3 wymagają lekkiej spójności.

Model analityczny UOT

W modelu analitycznym dokonuje się dwóch przybliżeń. (1) długość fali optycznej jest znacznie krótsza niż średnia droga swobodna (przybliżenie słabego rozpraszania) oraz (2) wywołana ultradźwiękami zmiana długości ścieżki optycznej jest znacznie mniejsza niż długość fali optycznej (przybliżenie słabej modulacji).

Przy pierwszym przybliżeniu możemy założyć, że uśrednione zespołowo korelacje między polami elektrycznymi są takie same. Ponieważ różnice między wynikami korelacji z różnych ścieżek są pomijalne. Przy takim założeniu korelacje dla pól elektrycznych G1(ꚍ) można zapisać następująco:

${\ Displaystyle G1 (\ tau) = \ int p (s) \ langle E_ {s} ( t)E_{s}^{*}(t+\tau )\rangle ds}$

W tym równaniu nawiasy reprezentują zespół i uśrednianie czasu. Es demonstruje pole elektryczne o jednostkowej amplitudzie rozproszonego światła na ścieżce o długości s, a p(s) oznacza funkcję gęstości prawdopodobieństwa s. W analitycznym modelu UOT źródło światła traktujemy jako optyczną falę płaską. Zakładamy, że płaska fala światła normalnie uderza w płytę o grubości d. Transmitowane światło zostanie przechwycone przez detektor punktowy. Po zastosowaniu teorii dyfuzji oryginalne równanie G1 można dalej zmodyfikować jako:

$} \ prawej) (\ sinh ( {\varepsilon [1-cos(\omega _{a}\tau )]})^{1/2})}{\sinh(d/l_{t}')({\varepsilon [1-cos(\ omega _{a}\tau )]})^{1/2}}}\right)}$

gdzie ${\ Displaystyle \ varepsilon = 6 (\ delta _ {n} + \ delta _ {d}) (n_ {0} k_ {0} ZA) ^ {1/2}}$ ${\ Displaystyle \ delta _ {n} = (\ alfa _ {n1} + \ alfa _ {n2}) \ eta ^{2}}$ ${\ Displaystyle \ alfa _ {n1} = 1/2k_ {a} l_ {t} '\ arctan (k_ {a} l_ {t}')}$ ${\ Displaystyle \ alfa _ {n2} = {\ Frac {\ alfa _ {n1}} {k_ {a} l_ {t}'/\arctan(k_{a}l_{t}')-1}}}$ ${\ Displaystyle \ delta _ {d} = {\ Frac {1} {6}}}$

W tych równaniach ωa reprezentuje akustyczną częstotliwość kątową, a n0 jest współczynnikiem załamania tła; k0 jest wielkością wektora fali optycznej w próżni; A to amplituda akustyczna, która jest proporcjonalna do ciśnienia akustycznego; ka jest wielkością akustycznego wektora falowego; l _t ' jest swobodną drogą optycznego środka transportu; η jest współczynnikiem sprężysto-optycznym; ρ jest gęstością masy; ${\ Displaystyle \ delta _ {n} \ delta _ {d}}$ przedstawia, jak ultradźwięki średnio zmieniają światło na swobodną ścieżkę odpowiednio poprzez współczynnik załamania i przemieszczenie.

Po wyprowadzeniu równania autokorelacji stosuje się twierdzenie Wienera-Khinchina . Za pomocą tego twierdzenia możemy dodatkowo połączyć G1 z gęstością widmową modulowanej plamki. Ich związek w przestrzeni częstotliwości jest przedstawiony jako następujące równanie transformacji Fouriera.

${\ Displaystyle S (\ omega) = \ int _ {- {\ infty}} ^ {\ infty} G1 (\ tau )\exp(i\omega \tau )d\tau }$

₀₀ odrzuca się przekształcony Fouriera składnik exp(-iω t), a ω reprezentuje tutaj względną częstotliwość kątową światła niemodulowanego. Na przykład, jeśli ω = 0 to równanie oblicza gęstość widmową z bezwzględną częstotliwością kątową ω . Ponieważ G1 jest parzystą funkcją autokorelacji, intensywność widmowa przy ω _a można zapisać jako:

$\ Displaystyle I_ {n} = {\ Frac {1} {T_ {a}}} \ int \ granice _ {0}^{T_{a}}\cos(n\omega _{a}\tau)G1(\tau)d\tau}$

₀ Tutaj n i Ta reprezentują okres akustyczny. Ponieważ widmo częstotliwości jest symetryczne względem ω , głębokość modulacji jednostronnej jest zdefiniowana jako:

${\ Displaystyle M_ {1} = {\ Frac {I_ {1}} {I_ {0}}}}$

Następnie możemy rozważyć warunek w ramach drugiego przybliżenia (przybliżenie słabej modulacji). W tej $jest znacznie$ termin cechę funkcji, która jest głównym składnikiem funkcji G1, pierwotną autokorelację G1 można dodatkowo uprościć jako:

${\ Displaystyle G1 (\ tau) = 1 - {\ Frac {1} {6} }({\frac {d}{l_{t}'}})^{2}\varepsilon [1-cos(\omega _{a}\tau)]}$

Dlatego głębokość modulacji z jednej strony można uprościć jako ${\ Displaystyle M_ {1} = {\ Frac {1} {12}} ({\ Frac {d} l_{t}'}})^{2}\varepsilon }$ . Z poprzedniego równania widzimy, że ${\ Displaystyle \ varepsilon = 6 (\ delta _ {n} + \ delta _ {d}) (n_ {0} k_ {0} A) ^ {1/2}}$ . Dlatego, podsumowując, A i M1 mają zależność kwadratową. Taką modulację kwadratową można uchwycić za pomocą interferometru Fabry'ego-Perota. Lub możemy obliczyć stosunek między obserwowanym sygnałem AC a obserwowanym sygnałem DC (nazywanym również pozorną głębokością modulacji), który może przenosić wystarczającą ilość informacji, aby również reprezentować taką modulację.

Podsumowując, w modelu analitycznym UOT, za pomocą przybliżenia słabego rozpraszania, przybliżenia słabej modulacji, teorii dyfuzji i twierdzenia Wienera-Khinchina , można z powodzeniem zaobserwować zależność między amplitudą akustyczną a modulowanym światłem.

Rozdzielczy w czasie UOT z przemiataniem częstotliwości (model do przodu)

W przypadku UOT o pojedynczej częstotliwości rozdzielczość osiowa wzdłuż osi ultradźwięków jest zawsze ograniczona przez wydłużoną ultradźwiękową strefę ogniskową. Aby poprawić rozdzielczość osiową, zaprojektowano ultradźwiękowy model UOT z przemiataniem częstotliwości. W tym systemie obiekt umieszcza się w zbiorniku wypełnionym medium rozpraszającym UOT. Na dnie zbiornika zostanie również umieszczony pochłaniacz ultradźwięków, aby uniknąć odbicia ultradźwięków. Zasadniczo generator funkcji wytworzy sygnał częstotliwości odnoszący się do czasu. Po przejściu przez wzmacniacz mocy i transformator takie polecenie częstotliwości zostanie przesłane do przetwornika ultradźwiękowego w celu wygenerowania wiązki ultradźwiękowej o różnych częstotliwościach. Po krótkich obliczeniach do ośrodka i celu zostanie wysłana zogniskowana wiązka ultradźwiękowa. Tymczasem wiązka laserowa, która jest prostopadła do wiązki ultradźwiękowej, oświetli również ośrodek rozpraszający. Następnie, po drugiej stronie źródła światła, PMT, modulowany sygnałem częstotliwości wysyłanym przez pierwszy generator funkcyjny, wykryje transmitowany sygnał świetlny w zbiorniku i przekształci sygnał optyczny w sygnał elektryczny. Sygnał elektryczny przejdzie następnie przez wzmacniacz, oscyloskop i zostanie zapisany w bazie danych.

Dzięki takiej bazie danych można generować widmowe wykresy natężenia w funkcji częstotliwości w wielu punktach (pierwsze widmo jest generowane jako odniesienie, wytwarzane przez sygnał optyczny z dala od obiektu). Każde widmo można następnie przekonwertować na obraz 1D przedstawiający wnętrze ośrodka w kierunku prostopadłym do zbiornika (kierunek z). Na koniec cały obraz 1D zostanie złożony w całość, aby wygenerować pełny widok wewnątrz nośnika.

Podsumowując, fala ultradźwiękowa o przemiatanej częstotliwości (ćwierkająca) może kodować światło lasera przechodzące przez oś akustyczną z różnymi częstotliwościami. Dekodowanie przepuszczanego światła zapewnia rozdzielczość wzdłuż osi akustycznej. Ten schemat jest analogiczny do MRI.

Rozwój

Został po raz pierwszy zaproponowany jako metoda wykrywania wirusów w 2013 roku.

Bibliografia _ Kim, Chulhong; Wang, Lihong V. (kwiecień 2007). „Tomografia optyczna modulowana ultradźwiękami z intensywnymi impulsami akustycznymi” (PDF) . Opcja aplikacji 46 (10): 1615–23. Bibcode : 2007ApOpt..46.1615Z . doi : 10.1364/ao.46.001615 . PMID 17356603 .
^ Sakadżić, Sawa. „ Modulowana ultradźwiękami tomografia optyczna tkanek miękkich ”. Rozprawa doktorska, Texas A&M University, 2006.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Wang, Lihong V .; Wu, Hsin-l (lipiec 2009). Optyka biomedyczna: zasady i obrazowanie . John Wiley & Synowie. s. 323–324. ISBN 9780470177013 .
^ ^abc ^{Wang ,}^Lihong V.; Wu, Hsin-I (lipiec 2009). Optyka biomedyczna: zasady i obrazowanie . John Wiley & Synowie. P. 325. ISBN 9780470177013 .
^ ^a ^b Wang, Lihong V; Wu, Hsin-I (lipiec 2009). Optyka biomedyczna: zasady i obrazowanie . John Wiley & Synowie. P. 326. ISBN 9780470177013 .
^ Wang, Lihong V; Wu, Hsin-I (lipiec 2009). Optyka biomedyczna: zasady i obrazowanie . John Wiley & Synowie. P. 329. ISBN 9780470177013 .
^ FA 77.3, HW 187 i GW 189, Kompleksowe podejście do wykrywania wirusów serca za pomocą światła: lokalizacja słońca fotosentezy za pomocą ultradźwięków coli i charakterystyka tkanek przez dyskryminację widma, „Protocall. SPY 1888, 500-510 (2013)

[1] Bibliografia _ Kim, Chulhong; Wang, Lihong V. (kwiecień 2007). „Tomografia optyczna modulowana ultradźwiękami z intensywnymi impulsami akustycznymi” (PDF) . Opcja aplikacji 46 (10): 1615–23. Bibcode : 2007ApOpt..46.1615Z . doi : 10.1364/ao.46.001615 . PMID 17356603 .

[dissertation-2] Sakadżić, Sawa. „ Modulowana ultradźwiękami tomografia optyczna tkanek miękkich ”. Rozprawa doktorska, Texas A&M University, 2006.

[:0-3] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Wang, Lihong V .; Wu, Hsin-l (lipiec 2009). Optyka biomedyczna: zasady i obrazowanie . John Wiley & Synowie. s. 323–324. ISBN 9780470177013 .

[:1-4] {Wang ,}^Lihong V.; Wu, Hsin-I (lipiec 2009). Optyka biomedyczna: zasady i obrazowanie . John Wiley & Synowie. P. 325. ISBN 9780470177013 .

[:2-5] Wang, Lihong V; Wu, Hsin-I (lipiec 2009). Optyka biomedyczna: zasady i obrazowanie . John Wiley & Synowie. P. 326. ISBN 9780470177013 .

[6] Wang, Lihong V; Wu, Hsin-I (lipiec 2009). Optyka biomedyczna: zasady i obrazowanie . John Wiley & Synowie. P. 329. ISBN 9780470177013 .

[a-7] FA 77.3, HW 187 i GW 189, Kompleksowe podejście do wykrywania wirusów serca za pomocą światła: lokalizacja słońca fotosentezy za pomocą ultradźwięków coli i charakterystyka tkanek przez dyskryminację widma, „Protocall. SPY 1888, 500-510 (2013)