Фотоакустическая эффект Доплера , как следует из названия, один конкретный вид эффекта Доплера , который происходит , когда интенсивно модулированный световой волны индуцирует фотоакустическая волну на движущихся частиц с определенной частотой . Наблюдаемый сдвиг частоты является хорошим индикатором скорости движущихся освещенных частиц. Возможное биомедицинское применение - измерение кровотока.
В частности, когда световая волна с модулированной интенсивностью воздействует на локализованную среду, возникающее тепло может вызывать чередующееся 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
Чтобы быть простым, сначала рассмотрите чистый носитель. Среда содержит небольшие оптические поглотители, движущиеся с вектором скорости. Поглотители облучаются лазером с модуляцией интенсивности с частотой. Таким образом, интенсивность лазера можно описать следующим образом:
Когда равна нулю, акустическая волна той же частотыкогда индуцируется волна интенсивности света. В противном случае возникает частотный сдвиг наведенной акустической волны. Величина сдвига частоты зависит от относительной скорости, угол между скоростью и направлением распространения волны плотности фотонов, а угол между скоростью и направлением распространения ультразвуковой волны. Частотный сдвиг определяется как:
Где скорость света в среде и это скорость звука. Первый член в правой части выражения представляет собой сдвиг частоты в волне плотности фотонов, наблюдаемый поглотителем, действующим как движущийся приемник. Второй член представляет собой сдвиг частоты в фотоакустической волне из-за движения поглотителей, наблюдаемых ультразвуковым преобразователем . [2]
На практике, поскольку а также , обнаруживается только второй член. Следовательно, приведенное выше уравнение сводится к:
В этом приближении на сдвиг частоты не влияет направление оптического излучения. На него влияет 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 диффузная волна плотности фотонов имеет меньшую фазовую скорость, чем скорость света, ее длина все же намного больше, чем у акустической волны. [3]
Эксперимент
В первой демонстрации фотоакустического эффекта Доплера в установке для фотоакустической микроскопии использовался диодный лазер непрерывного действия с ультразвуковым преобразователем в качестве детектора. Образец представлял собой раствор поглощающих частиц, движущихся по трубке. Трубка находилась в водяной бане с рассеивающими частицами [2].
На рисунке 2 показана зависимость между средней скоростью потока и экспериментальным фотоакустическим доплеровским сдвигом частоты. В рассеивающей среде, такой как экспериментальный фантом, меньше фотонов достигает поглотителей, чем в оптически чистой среде. Это влияет на интенсивность сигнала, но не на величину сдвига частоты. Другой 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]
Заявление
Одно из многообещающих приложений - неинвазивное измерение потока. Это связано с важной проблемой медицины: измерением кровотока по артериям , капиллярам и венам . [3] Измерение скорости кровотока в капиллярах является важным компонентом клинического определения количества кислорода, доставляемого тканям, и потенциально важно для диагностики множества заболеваний, включая диабет и рак . Однако особая трудность измерения скорости потока в капиллярах вызвана низкой скоростью кровотока и диаметром в микрометрах. Визуализация на основе фотоакустического эффекта Доплера - перспективный метод измерения кровотока в капиллярах.
Существующие методы
На основе ультразвука или света в настоящее время используется несколько методов для измерения скорости кровотока в клинических условиях или других типов скорости потока.
Допплерография
В ультразвуковой доплеровской технике используются сдвиги доплеровской частоты в ультразвуковой волне. Этот метод в настоящее время используется в биомедицине для измерения кровотока в артериях и венах . Он ограничен высокими расходами (см / с) обычно обнаруживается в крупных сосудах из-за высокого фонового ультразвукового сигнала от биологической ткани. [3]
Лазерная доплеровская флоуметрия
Лазерная доплеровская флоуметрия использует свет вместо ультразвука для определения скорости потока. Значительно более короткая длина оптической волны означает, что эта технология способна обнаруживать низкие скорости потока вне диапазона доплеровского ультразвука . Но этот метод ограничен высоким фоновым шумом и низким уровнем сигнала из-за многократного рассеяния . Лазерная допплеровская флоуметрия может измерять только усредненную скорость крови в пределах 1 мм 3 без информации о направлении потока. [3] Широкополосная лазерная доплеровская визуализация с помощью цифровой голографии с помощью высокоскоростной камеры может преодолеть некоторые ограничения лазерной доплеровской флоуметрии и обеспечить измерения кровотока в поверхностных сосудах с более высоким пространственным и временным разрешением.
Доплеровская 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 когерентным стробированием. Этот метод позволяет определять скорость потока дом / с с пространственным разрешением м. Глубина обнаружения обычно ограничивается высоким коэффициентом оптического рассеяния биологической ткани домм. [3]
Фотоакустическая доплеровская флоуметрия
Фотоакустический эффект Доплера можно использовать для измерения скорости кровотока с преимуществами 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, чем оптическое рассеяние, но оно нечувствительно к биохимическим свойствам. И наоборот, оптическая визуализация способна достичь высокого контраста в биологической ткани за счет высокой чувствительности к мелкомолекулярным оптическим поглотителям, таким как гемоглобин, обнаруженный в красных кровяных тельцах , но его пространственное разрешение ухудшается из-за сильного рассеяния света в биологической ткани. Комбинируя оптическую визуализацию с ультразвуком, можно достичь как высокого контраста, так и пространственного разрешения. [1]
Фотоакустическая доплеровская флоуметрия может использовать мощность фотоакустики для измерения скоростей потока, которые обычно недоступны для чистых световых или ультразвуковых методов. Высокое пространственное разрешение позволило бы точно определить лишь несколько поглощающих частиц, локализованных в одном капилляре. Высокий контраст от сильных оптических поглотителей позволяет четко разделить сигнал поглотителей на фоне.
Смотрите также
- Фотоакустическая спектроскопия
- Фотоакустическая визуализация в биомедицине
- Фотоакустическая томография
- Эффект Допплера
- лазерная доплеровская визуализация
- Доплеровская оптическая когерентная томография
Рекомендации
- ^ a b c Л. В. Ван и Х. И. Ву (2007). Биомедицинская оптика: принципы и изображения . Вайли. ISBN 978-0-471-74304-0.
- ^ a b c d e f g h Х. Фанг, К. Маслов, Л. В. Ван. «Фотоакустический эффект Доплера от протекающих мелких светопоглощающих частиц». Physical Review Letters 99, 184501 (2007).
- ^ a b c d e f g h Х. Фанг, К. Маслов, Л. В. Ван. «Фотоакустическое доплеровское измерение потока в оптически рассеивающих средах». Письма по прикладной физике 91 (2007) 264103