Фотоакустический эффект Доплера

Фотоакустический эффект Доплера — это тип эффекта Доплера , который возникает, когда с модулированной интенсивностью световая волна индуцирует фотоакустическую волну на движущихся частицах с определенной частотой . Наблюдаемый сдвиг частоты является хорошим индикатором скорости освещенных движущихся частиц. Потенциальным биомедицинским применением является измерение кровотока.

В частности, когда модулированная по интенсивности световая волна воздействует на локализованную среду, возникающее в результате тепло может вызвать попеременное и локализованное изменение давления. Это периодическое изменение давления генерирует акустическую волну определенной частоты. Среди различных факторов, определяющих эту частоту, скорость нагретой области и, следовательно, движущихся частиц в этой области может вызвать сдвиг частоты, пропорциональный относительному движению. Таким образом, с точки зрения наблюдателя наблюдаемый сдвиг частоты можно использовать для определения скорости освещенных движущихся частиц. ^[1]

Теория

Проще говоря, сначала рассмотрим прозрачный носитель. Среда содержит небольшие оптические поглотители, движущиеся с вектором скорости ${\vec {v}}$ . Поглотители облучаются лазером с интенсивностью, модулированной по частоте. $f_{0}$ . Таким образом, интенсивность лазера можно описать следующим образом:

$I={I}_{0}\left[1+cos\left(2\pi f_{0}t\right)\right]/2$ ^[2]

Когда ${\vec {v}}$ равен нулю, акустическая волна той же частоты $f_{0}$ поскольку индуцируется волна интенсивности света. В противном случае происходит сдвиг частоты индуцированной акустической волны. Величина сдвига частоты зависит от относительной скорости ${\vec {v}}$ , угол $\alpha$ между скоростью и направлением распространения волны плотности фотонов, а также углом $\theta$ между скоростью и направлением распространения ультразвуковой волны. Сдвиг частоты определяется следующим образом:

$f_{PAD}=-f_{0}{\frac {v}{c_{0}}}cos\alpha +f_{0}{\frac {v}{c_{a}}}cos\theta$ ^[2]

Где $c_{0}$ - скорость света в среде и $c_{a}$ это скорость звука. Первый член в правой части выражения представляет собой сдвиг частоты волны фотонной плотности, наблюдаемой поглотителем, действующим как движущийся приемник. Второе слагаемое представляет собой сдвиг частоты фотоакустической волны из-за движения поглотителей, наблюдаемого ультразвуковым преобразователем . ^[2]

На практике, поскольку ${\frac {c_{0}}{c_{a}}}\sim 10^{5}$ и $v\ll c_{a}$ , обнаруживается только второй член. Следовательно, приведенное выше уравнение сводится к:

$f_{PAD}=f_{0}{\frac {v}{c_{a}}}cos\theta ={\frac {v}{\lambda }}cos\theta$ ^[2]^[3]

В этом приближении на сдвиг частоты не влияет направление оптического излучения. На него влияют только величина скорости и угол между скоростью и направлением распространения акустической волны. ^[2]

Это уравнение справедливо и для рассеивающей среды. В этом случае волна плотности фотонов становится диффузной из-за рассеяния света. Хотя диффузионная волна фотонной плотности имеет меньшую фазовую скорость, чем скорость света, ее длина все же намного длиннее, чем у акустической волны. ^[3]

Эксперимент

**Рисунок 2: Зависимость среднего фотоакустического доплеровского сдвига от скорости для рассеивающей среды** ^[3]

При первой демонстрации фотоакустического эффекта Доплера диодный лазер использовался в установке фотоакустической микроскопии непрерывного действия с ультразвуковым преобразователем в качестве детектора. Образец представлял собой раствор поглощающих частиц, движущихся по трубке. Трубка находилась в водяной бане, содержащей рассеивающие частицы. ^[2]

На рис. 2 показана связь между средней скоростью потока и экспериментальным фотоакустическим доплеровским сдвигом частоты. В рассеивающей среде, такой как экспериментальный фантом, до поглотителей доходит меньше фотонов, чем в оптически прозрачной среде. Это влияет на интенсивность сигнала, но не на величину сдвига частоты. Еще одной продемонстрированной особенностью этого метода является то, что он способен измерять направление потока относительно детектора на основе знака сдвига частоты. ^[2] Сообщается, что минимальная обнаруженная скорость потока в рассеивающей среде составляет 0,027 мм/с. ^[3]

Приложение

Одним из многообещающих применений является неинвазивное измерение расхода. Это связано с важной проблемой медицины: измерением кровотока по артериям , капиллярам и венам . ^[3] Измерение скорости крови в капиллярах является важным компонентом клинического определения того, сколько кислорода доставляется к тканям, и потенциально важно для диагностики различных заболеваний, включая диабет и рак . Однако особую трудность измерения скорости кровотока в капиллярах вызывает малая скорость кровотока и микрометровый диаметр. Фотоакустическая доплеровская визуализация является перспективным методом измерения кровотока в капиллярах.

Существующие методы

основанных на ультразвуке В настоящее время существует несколько методов, или свете, для измерения скорости крови в клинических условиях или других типов скоростей кровотока.

Допплерография

Техника допплеровского ультразвука использует доплеровские сдвиги частоты ультразвуковой волны. Этот метод в настоящее время используется в биомедицине для измерения кровотока в артериях и венах . Оно ограничено высокими скоростями потока ( $>1$ см/с), как правило, обнаруживается в крупных сосудах из-за высокого фонового ультразвукового сигнала от биологической ткани. ^[3]

Лазерная допплеровская флоуметрия

Лазерная допплеровская флоуметрия использует свет вместо ультразвука для определения скорости потока. Гораздо более короткая длина оптической волны означает, что эта технология способна обнаруживать низкие скорости потока за пределами диапазона допплеровского ультразвука . Но этот метод ограничен высоким фоновым шумом и низким сигналом из-за многократного рассеяния . Лазерная допплеровская флоуметрия позволяет измерить только среднюю скорость крови в пределах 1 мм. ³ без информации о направлении потока. ^[3] Широкополосная лазерная допплеровская визуализация с помощью цифровой голографии с помощью высокоскоростной камеры может преодолеть некоторые ограничения лазерной допплеровской флоуметрии и обеспечить измерения кровотока в поверхностных сосудах с более высоким пространственным и временным разрешением.

Допплеровская оптическая когерентная томография

Доплеровская оптическая когерентная томография — это метод измерения оптического потока, который улучшает пространственное разрешение лазерной доплеровской флоуметрии за счет исключения многократного рассеяния света с помощью когерентного стробирования. Этот метод способен определять скорость потока даже ниже $100\mu$ м/с с пространственным разрешением $5\times 5\times 15\mu$ м $^{3}$ . Глубина обнаружения обычно ограничена высоким коэффициентом оптического рассеяния биологической ткани. $<1$ мм. ^[3]

Фотоакустическая допплеровская флоуметрия

Фотоакустический эффект Доплера можно использовать для измерения скорости кровотока благодаря преимуществам фотоакустической визуализации . Фотоакустическая визуализация сочетает в себе пространственное разрешение ультразвуковой визуализации с контрастом оптического поглощения в глубоких биологических тканях. ^[1] Ультразвук имеет хорошее пространственное разрешение в глубоких биологических тканях, поскольку ультразвуковое рассеяние намного слабее оптического, но нечувствительно к биохимическим свойствам. И наоборот, оптическое изображение позволяет достичь высокого контраста в биологической ткани благодаря высокой чувствительности к небольшим молекулярным оптическим поглотителям, таким как гемоглобин, обнаруженный в красных кровяных тельцах , но его пространственное разрешение ухудшается из-за сильного рассеяния света в биологической ткани. Комбинируя оптическое изображение с ультразвуком, можно достичь как высокого контраста, так и пространственного разрешения. ^[1]

Фотоакустическая допплеровская флоуметрия может использовать возможности фотоакустики для измерения скоростей потока, которые обычно недоступны для чисто световых или ультразвуковых методов. Высокое пространственное разрешение позволило бы обнаружить лишь несколько поглощающих частиц, локализованных в одном капилляре. Высокий контраст от сильных оптических поглотителей позволяет четко различать сигнал от поглотителей на фоне.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Л.В. Ван и Х.И. Ву (2007). Биомедицинская оптика: принципы и визуализация . Уайли. ISBN 978-0-471-74304-0 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Х. Фанг, К. Маслов, Л. В. Ван. «Фотоакустический эффект Доплера от струящихся мелких светопоглощающих частиц». Письма о физическом обзоре 99, 184501 (2007 г.)
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Х. Фанг, К. Маслов, Л. В. Ван. «Фотоакустическое доплеровское измерение потока в оптически рассеивающих средах». Письма по прикладной физике 91 (2007) 264103

[bopi-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Л.В. Ван и Х.И. Ву (2007). Биомедицинская оптика: принципы и визуализация . Уайли. ISBN 978-0-471-74304-0 .

[prl-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Х. Фанг, К. Маслов, Л. В. Ван. «Фотоакустический эффект Доплера от струящихся мелких светопоглощающих частиц». Письма о физическом обзоре 99, 184501 (2007 г.)

[apl-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Х. Фанг, К. Маслов, Л. В. Ван. «Фотоакустическое доплеровское измерение потока в оптически рассеивающих средах». Письма по прикладной физике 91 (2007) 264103

[1]

[2]

[3]