Оптоакустическая томография с частотно-волновым мультиплексированием

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4448 (2022) Цитировать эту статью

2656 Доступов

3 цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Оптоакустика (ОА) в подавляющем большинстве случаев реализована во временной области (TD) для достижения высоких отношений сигнал/шум за счет максимизации переходных процессов энергии возбуждающего света. Были предложены реализации в частотной области (FD), но они страдают от низкого отношения сигнал/шум и не предлагают конкурентных преимуществ перед методами во временной области для достижения высокого распространения. Поэтому принято считать, что TD является оптимальным способом выполнения оптоакустики. Здесь мы представляем оптоакустическую концепцию, основанную на освещении последовательности импульсов и мультиплексировании в частотной области, и теоретически демонстрируем превосходные преимущества этого подхода по сравнению с временной областью. Затем, используя последние достижения в области лазерного диодного освещения, мы запускаем оптоакустическую томографию с частотно-волновым мультиплексированием (FWMOT) на нескольких длинах волн и экспериментально демонстрируем, как FWMOT оптимизирует соотношение сигнал/шум спектральных измерений с помощью методов временной области в фантомах и в виво. Мы также обнаружили, что FWMOT предлагает самую быструю мультиспектральную операцию, когда-либо продемонстрированную в оптоакустике.

Генерация оптоакустических (ОА) сигналов требует освещения образца переходными процессами энергии (например, импульсным или синусоидальным освещением)1. Образец поглощает эту изменяющуюся во времени энергию и впоследствии генерирует акустическую волну за счет термоупругого расширения2. Реализации OA во временной области (TD) обеспечивают большие переходные процессы энергии посредством световых импульсов наносекундной длительности3,4,5,6, чтобы удовлетворить ограничениям по температуре и напряжению, необходимым для генерации оптоакустического сигнала7. Импульс наносекундной длительности также максимизирует переходную энергию и оптимизирует соотношение сигнал/шум (SNR), что делает TD областью выбора в оптоакустике8,9,10. Оптоакустическая визуализация TD записывает время прохождения генерируемых ультразвуковых волн (УЗ) в нескольких местах на поверхности допрашиваемого объекта с помощью чувствительного ультразвукового преобразователя и, используя математическую инверсию, преобразует эти измерения в трехмерные карты оптическое поглощение11.

Другие методы визуализации, такие как оптическая когерентная томография (ОКТ) или магнитно-резонансная томография (МРТ), изначально были продемонстрированы в TD, но получили преимущества с точки зрения скорости визуализации и отношения сигнал/шум от переключения операции на частотную область (FD)12,13 . Оптоакустика частотной области (FD) также рассматривалась в качестве альтернативы TD путем модуляции интенсивности освещения на дискретной частоте и обнаружения генерируемых сигналов ОА на той же частоте14,15,16. Обнаружение сигнала достигается с помощью методов демодуляции, которые восстанавливают амплитуду и фазу сигнала ОА. Эта технология является более простой и экономичной, чем запись временных сигналов с частотой дискретизации в десятки МГц, как это обычно бывает при обнаружении TD. FD также может обеспечить одновременное освещение на нескольких длинах волн, модулируя источники разного цвета на разных частотах17,18,19. Несмотря на эти преимущества, свет с модулированной интенсивностью14,15,16 обеспечивает переходные процессы энергии и соответствующие оптоакустические сигналы, которые на шесть порядков величины19 слабее, чем ультракороткие импульсы, используемые в TD, что резко снижает отношение сигнал/шум в FD20,21,22. Более того, оптоакустические исследования на одной частоте не позволяют собрать информацию о глубине и не приводят к получению трехмерных изображений. Недавно мы показали23, что информация о глубине и реконструкция трехмерного изображения требуют генерации сигналов на нескольких дискретных частотах, что приводит к сложным схемам излучения (модуляции) и обнаружения (демодуляции)23,24. Таким образом, несмотря на потенциальные преимущества перед TD17,18,19,23,24, FD мало повлиял на область оптоакустики. Частотный чирп также исследовался как гибридный метод TD-FD путем модуляции света с непрерывно меняющейся частотой17,25, таким образом кодируя время в частоте. Обнаружение осуществляется в ТД с использованием методов временной корреляции. Однако, как и в случае с методами FD, использование синусоидальных волн ограничивает достигаемое соотношение сигнал/шум, ограничивая использование подходов с чирпированием в экспериментальных исследованиях.