[論文レビュー] Assessment of tissue heating under tunable laser radiation from 1100 nm to 1550 nm

Joel N. Bixler, Brett H. Hokr+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2015

Ocular and Laser Science Research被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、1100–1550 nmの波長範囲で豚皮組織におけるレーザー誘発組織加熱を実験的・計算的に評価した。その結果、水の吸収が熱応答を支配しており、波長によって損傷閾値が最大100倍も変動することが明らかになった。最低の加熱（1.9 ± 0.1 °C）は1100 nmで観測され、1425 nmで最大加熱（37.6 °C）が発生した。これは水の強い吸収に起因し、深部組織イメージングシステムにおける安全な出力最適化が可能である。

ABSTRACT

The time-temperature response of porcine tissue to laser radiation exposure is investigated as a function of wavelength. We experimentally measure the thermal response of tissue to laser radiation ranging in wavelength from 1100 nm to 1550 nm. The experimental data were compared to simulations performed using thermal modeling software. Based on these simulations, and the corresponding experimental data, damage thresholds as a function of wavelength were estimated. This data can be used to help optimize the design of optical imaging systems, particularly those being used for biomedical imaging.

研究の動機と目的

• 1100–1550 nmの範囲で可変波長のレーザー放射に対する豚組織の熱応答を定量すること。
• 光熱傷の生物学的組織における波長依存損傷閾値を特定すること。
• 組織水分量（水体積分率）がレーザー誘発加熱に与える影響を評価すること。
• 実験的赤外熱画像データと照合して熱モデルのシミュレーションを検証すること。
• 第二および第三の光学窓領域における近赤外レーザーを用いた光学イメージングシステムの安全設計を支援すること。

提案手法

• 1100–1550 nmの範囲で120-fsパulsesを80 MHzで出力するTi:サファイアレーザーで駆動された可変波長光パラメトリックオシレーター（OPO）を用いた。
• 500-µmスポットを2.5倍顕微鏡系を介して、組織表面に80 ± 2 mWの平均出力（42 ± 1 W/cm²）を照射した。
• 256×256画素のサブアレイ、1ピクセルあたり9.3 µm解像度のFLIR SC6000赤外熱カメラを用い、200 Hzで熱プロファイルを記録した。
• 25 nm間隔で三重測定を実施し、残留加熱を低減するため、各露出の間に組織を移動させた。
• 水体積分率を49–65%の範囲で変化させたBTECベースの熱モデルを用いて、吸収および温度上昇をシミュレートした。
• 実験的熱データとシミュレーションを照合し、吸収係数および水分量に基づいて損傷閾値を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 豚皮組織において、1100–1550 nmの範囲でレーザー誘発加熱はどのように変化するか？
• RQ2 組織水分量が熱応答および損傷閾値を決定する役割を果たすか？
• RQ3 水の吸収係数に基づく熱シミュレーションは、実験的測定とどの程度一致するか？
• RQ4 1100–1550 nmの範囲で、光熱傷を引き起こさずに最大の安全出力で照射可能な波長は何か？
• RQ5 水分量および環境条件の変動が、熱応答測定の再現性にどのように影響するか？

主な発見

• 1100 nmで最小の温度上昇（1.9 ± 0.1 °C）が観測され、この範囲内で最も低い熱的リスクを示した。
• 水体積分率65%の組織では1425 nmで最大吸収に起因し、温度上昇が37.6 °Cに達した。
• 1450 nmを超えては水吸収が低下するため、温度上昇が顕著に減少し、1550 nmでは最小の加熱が観測された。
• 水体積分率65%のシミュレーションが実験データと最も一致し、1425 nmで37.6 °Cの上昇を再現した。
• 1100–1150 nmおよび1250–1300 nmの波長では、1450 nmに比べて最大100倍の高い安全出力が可能である。
• 1425–1550 nmにおける加熱の顕著なばらつきは、サンプル間での水分量および環境湿度の差に起因するとされた。