[論文レビュー] One laser pulse generates two photoacoustic signals

Fei Gao, Xiaohua Feng+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2016

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、1回のレーザーパルスで2つの明著な光音響信号を生成する長パルス誘発二重光音響（LDPA）効果を導入する。最初の信号はパルス上昇時における熱膨張に起因し、2番目の信号はパルス減衰時における熱収縮に起因する。この手法は不完全な応力および熱的閉じ込めを活用し、熱拡산と Grüneisen 定数の飽和を介して、振幅可変で波形反転可能な信号を実現する。これにより、生体イメージングにおけるコントラスト向上を実現する、新しい非線形光音響手法が提供される。

ABSTRACT

Photoacoustic sensing and imaging techniques have been studied widely to explore optical absorption contrast based on nanosecond laser illumination. In this paper, we report a long laser pulse induced dual photoacoustic (LDPA) nonlinear effect, which originates from unsatisfied stress and thermal confinements. Being different from conventional short laser pulse illumination, the proposed method utilizes a long square-profile laser pulse to induce dual photoacoustic signals. Without satisfying the stress confinement, the dual photoacoustic signals are generated following the positive and negative edges of the long laser pulse. More interestingly, the first expansion-induced photoacoustic signal exhibits positive waveform due to the initial sharp rising of temperature. On the contrary, the second contraction-induced photoacoustic signal exhibits exactly negative waveform due to the falling of temperature, as well as pulse-width-dependent signal amplitude which is caused by the concurrent heat accumulation and thermal diffusion during the long laser illumination. An analytical model is derived to describe the generation of the dual photoacoustic pulses, incorporating Gruneisen saturation and thermal diffusion effect, which is experimentally proved. Lastly, an alternate of LDPA technique using quasi-CW laser excitation is also introduced and demonstrated for both super-contrast in vitro and in vivo imaging. Compared with existing nonlinear PA techniques, the proposed LDPA nonlinear effect could enable a much broader range of potential applications.

研究の動機と目的

• 長パルスを用いた二重光音響信号の生成を、従来の短パルスとは異なって調査すること。
• 1回のレーザーパルスから生じる2つの明著な光音響信号の物理的メカニズムを理解すること。
• 熱拡산と Grüneisen 飽和を組み込んだ解析的モデルを構築し、二重信号の発生を説明すること。
• LDPA技術が、in vitroおよびin vivoの光音響イメージングにおいて、超コントラストを実現可能であることを実証すること。
• 非線形光音響センシングにおけるパルス励起の代替として、準連続波（quasi-CW）レーザー励起の可能性を検討すること。

提案手法

• 本研究では、長方形パルス形状のレーザーを用い、パルス発生時における熱膨張とパルス減衰時における熱収縮を誘発する。
• 光音響信号は、レーザーパルスの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジで測定され、それぞれ正の波形と負の波形が得られる。
• 熱拡散効果と Grüneisen 定数の飽和を組み込んだ解析的モデルが導出され、二重信号生成を記述する。
• 予測された信号振幅と波形を、さまざまなパルス幅での測定データと比較することで、モデルの実験的妥当性を検証する。
• LDPA技術は準連続波（quasi-CW）レーザー励起へと拡張され、連続波に類似した動作と二重信号出力を可能にする。
• 信号振幅は、長時間の照射中に同時に発生する熱蓄積と熱拡散の影響を受けて、パルス幅に依存することが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1回の長パルスが2つの光音響信号を生成できる物理的メカニズムは何か？
• RQ2 熱拡散と不完全な応力閉じ込めは、二重光音響信号の振幅および符号にどのように影響を与えるか？
• RQ3 熱拡散と Grüneisen 飽和効果を用いた解析的モデルが、二重信号挙動を正確に予測できるか？
• RQ4 パルス幅が2つの光音響信号の振幅に与える影響は何か？
• RQ5 LDPA効果は、準連続波励起を用いて、in vivoおよびin vitroの超コントラスト光音響イメージングに応用可能か？

主な発見

• 最初の光音響信号は正であり、レーザーパルス発生直後の急激な温度上昇に起因する熱膨張に由来する。
• 2番目の光音響信号は負であり、パルスの減衰に伴う温度低下に起因する熱収縮に由来する。
• 信号振幅は、長時間照射中の同時発生する熱蓄積と熱拡散の影響を受けて、パルス幅に依存する。
• 熱拡散と Grüneisen 飽和を組み込んだ解析的モデルは、二重信号の波形と振幅を正確に予測できる。
• LDPA技術により、準連続波レーザー励起を用いて、in vitroおよびin vivoの両環境で超コントラストイメージングが可能となった。
• 二重信号効果は、応力および熱的閉じ込めが不十分であることに起因し、従来の短パルス光音響法とは明確に区別される。