Hur fungerar optisk resonansteknik för detektion av ultraljud?

Optisk resonansteknik har visat sig vara ett mycket effektivt verktyg för detektion av ultraljudssignaler, särskilt inom fotoakustisk avbildning (PAI). Denna teknik utnyttjar resonansfenomenet i optiska strukturer, som FP-etalon, för att känna av subtila förändringar som orsakas av akustisk perturbation i ultraljudsmedier. När ultraljudsböljor interagerar med en FP-etalonstruktur, som ofta består av speglar och en transparent mellanliggande skikt, uppstår en resonans som kan förstärkas genom optiska mekanismer. Detta gör att små förändringar i signalens fas och väg kan mätas noggrant, vilket resulterar i en förbättrad detektionsförmåga.

FP-etalonmetoden för optisk resonans är särskilt användbar för att extrahera detaljerad information om akustiska störningar i biologiska och materialvetenskapliga prover. I system som använder denna teknik kan ultraljudsböljan ge upphov till förändringar i den fysiska och optiska egenskapen hos det interna lagret, vilket sedan reflekteras i en förändring av den resonanta våglängden och intensiteten hos ljuset som reflekteras tillbaka. Denna metod erbjuder en betydande fördel över piezoelektriska system genom att den tillåter en frikoppling mellan öppningens storlek, elementstorlek och den önskade skanningsupplösningen.

Ett annat exempel på optiska resonatorer är mikro-ringresonatorer (MRR), som också utnyttjar resonansfenomen för att detektera ultraljud. Dessa små ringformade vågledare är mycket känsliga för mekanisk deformation som orsakas av ultraljudstryck och kan därför ge mycket precisa signaler även vid höga upplösningar. MRR-teknologin har visat sig vara användbar inom fotoakustisk avbildning (PAM) genom att uppnå upplösningar så låga som 5 μm i lateral och 8 μm i axial riktning. Mikro-ringresonatorer är fördelaktiga tack vare sin extremt höga kvalitet (Q-faktor), vilket gör att de kan detektera mycket svaga signaler med hög känslighet.

Fiber Bragg-grating (FBG)-sensorer är en annan teknik som används för att detektera akustiska vågor, tack vare deras smala spektrala band. Denna teknik utnyttjar förändringar i ljusets refraktionsindex som orsakas av ultraljudstryck för att mäta signalstyrka. π-phase-shifted FBG (π-FBG), som har en notch orsakad av en π-fasdiskontinuitet, erbjuder förbättrad känslighet och kan användas i endoskopi och andra PAM-applikationer för att uppnå högre känslighet och större bandbredd än traditionella FBG-teknologier.

Vidare har interferometrar, såsom Michelson- och Mach-Zehnder-interferometrar (MI och MZI), varit viktiga för att mäta ultraljudssignaler. Dessa interferometrar fungerar genom att dela en ljusstråle i två optiska vägar, varav en är en referensväg och den andra används för att detektera störningar orsakade av ultraljud. Modulationen av interferensmönstret i ljuset, som uppstår när ultraljud interagerar med en av vägarna, kan sedan användas för att bestämma ultraljudets intensitet. MZI-system erbjuder god känslighet men har begränsad bandbredd, vilket kan vara en nackdel för vissa fotoakustiska avbildningssystem.

Optiska detektorer i interferometriska system kan ibland ha en känslighetsnivå på 180 Pa, vilket är tillräckligt för många PAI-applikationer. Trots detta är det fortfarande en pågående utveckling att förbättra känsligheten och bandbredden för dessa system, så att de kan användas mer effektivt inom fotoakustisk avbildning. Doppler-interferometrar (DI) är en annan form av sensor som detekterar ultraljud genom att mäta dopplerväxlingar i ljusets frekvens, vilket ger fördelar när man arbetar med ojämna reflektorer eller vid användning av icke-kontaktmetoder för avbildning.

För att uppnå högre hastigheter och bättre kvalitet inom fotoakustisk avbildning har många utvecklat optiska skanningssystem baserade på speglar och mekaniska motorer. Dessa motorer används för att skapa 3D-skanningar av biologiska prover genom att röra på målet vid höga frekvenser. Genom att kombinera denna mekanik med optiska och ultraljudstekniker kan forskare skapa bilder med hög upplösning av organ och vävnader, vilket möjliggör bättre visualisering och analys av biologiska prover utan att behöva märkning.

Hur teknologiska framsteg inom fotoakustisk bildbehandling påverkar klinisk tillämpning: En genomgång av olika transduktionssystem

Fotoakustisk avbildning (PAI), en teknik som kombinerar ultraljud och optiska metoder för att skapa detaljerade bilder av biologiska vävnader, har genomgått betydande förbättringar de senaste åren. Denna utveckling har öppnat nya möjligheter för 3D-volymavbildning, vilket är avgörande för kliniska tillämpningar, särskilt för att studera mänskliga vaskulära system eller för att tillämpa fototermiska terapier.

Vid undersökning av fototermiska terapier hos möss visade en kombinerad PA-US (photoacoustic-ultrasound) system lovande resultat. Genom att mäta den relativa förändringen i PA-signalen kunde man kartlägga temperaturstegringen under behandlingen och optimera administrationsintervallen för fototermiska ämnen. Även om denna metod erbjuder en hög precision för att följa behandlingsområdet, är en betydande begränsning i många system att den insamlade datan oftast är tvådimensionell. För att kunna erbjuda verklig tredimensionell volymavbildning behövs mer avancerade lösningar.

Ett exempel på detta är användningen av plana matrisarray-transduktorer, som har potentialen att skapa tredimensionella avbildningar utan att kräva mekanisk scanning. I en studie av Wang et al. modifierades ett kommersiellt US-system för att passa en X7–2 plan matrisarray med 2500 element. Detta system gav inte bara högupplösta 3D-bilder utan underlättade även det kliniska användningsområdet genom att eliminera behovet av en mekanisk rörelse för att uppnå volymavbildning. Dock kvarstår tekniska utmaningar, som till exempel problem med ljusleverans och behovet av att skapa anpassade fiberhållare för ljusöverföring, vilket kan försvåra den praktiska användningen av systemet.

För att lösa några av dessa problem föreslog Liu et al. en planar matristransduktor med en ljuskälla placerad i mitten av transduktorn för att säkerställa en mer jämn ljusdistribution. Detta designval var avgörande för att förbättra bildens kontrast, särskilt vid avbildning av strukturer på djupare nivåer av vävnad, som vid avbildning av den cephalica venen i människans arm. Det var också möjligt att uppnå en hög kontrast-till-bruskvot (CNR) för bilder på mellan 5–14 dB beroende på djupet i vävnaden.

Trots alla framsteg finns det fortfarande flera tekniska och praktiska hinder för att implementera fotoakustisk avbildning i en klinisk miljö. Den största utmaningen ligger i att skapa en balans mellan teknologiska innovationer, som möjliggör högupplöst volymavbildning, och den kliniska användbarheten, som kräver kompakt, lättanvänd och kostnadseffektiv utrustning. Samtidigt måste även säkerheten och noggrannheten i data och bilder beaktas. Även om det finns flera lovande tekniker på horisonten, kommer den faktiska kliniska tillämpningen av fotoakustiska system att bero på en fortsatt samverkan mellan forskare, ingenjörer och läkare för att möta dessa utmaningar och skapa robusta lösningar för framtidens medicinska diagnostik och behandling.