[논문 리뷰] Assessment of tissue heating under tunable laser radiation from 1100 nm to 1550 nm

Joel N. Bixler, Brett H. Hokr외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 26.

Ocular and Laser Science Research인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 돼지 피부에서 1100–1550 nm 범위의 레이저 유도 조직 가열을 실험적·수치적으로 평가하여, 수분 흡수로 인해 열 반응이 지배되며, 파장에 따라 손상 임계치가 최대 100배까지 변동됨을 밝혀냈다. 최소 가열(1.9 ± 0.1 °C)은 1100 nm에서 관찰되었고, 최대 가열(37.6 °C)은 1425 nm에서 관찰되어 강한 수분 흡수로 인해 깊은 조직 영상 시스템의 안전한 파wer 공급 최적화가 가능함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 1100–1550 nm 범위에서 가변 레이저 복사에 대한 돼지 조직의 열 반응을 정량화하는 것.
• 광열 손상에 대한 파장에 따라 달라지는 손상 임계치를 규명하는 것.
• 조직 수분 함량(수분 부피 분율)이 레이저 유도 가열에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 실험적 열화상 데이터와의 비교를 통해 열 모델링 시뮬레이션을 검증하는 것.
• 제2 및 제3 광학 창 영역 내 근적외선 레이저를 사용한 안전한 광학 영상 시스템 설계를 안내하는 것.

제안 방법

• 1100–1550 nm 범위에서 120-fs 펄스를 80 MHz 주파수로 제공하기 위해 티사프ire 레이저로 구동된 가변 주기성 옵티컬 파라메트릭 오실레이터(OPO)를 사용하였다.
• 2.5× 영상 시스템을 통해 500-µm 광점으로 조직 표면에 80 ± 2 mW 평균 출력(42 ± 1 W/cm²)을 공급하였다.
• 200 Hz 속도로 열 프로파일을 기록하기 위해 FLIR SC6000 열화상 카메라(256×256 픽셀 서브어레이, 9.3 µm/픽셀)를 사용하였다.
• 잔류 가열을 최소화하기 위해 25-nm 간격으로 복수 측정(3회)을 실시하고, 각 측정 간 조직 이동을 시행하였다.
• 수분 부피 분율(49–65%)을 변수로 하여 BTEC 기반 열 모델링을 수행하여 흡수 및 온도 상승을 시뮬레이션하였다.
• 실험적 열 데이터와 시뮬레이션을 상관 분석하여 흡수 계수 및 수분 수준에 기반한 손상 임계치를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 돼지 피부에서 1100–1550 nm 범위의 레이저 유도 가열은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 조직 수분 함량이 열 반응 및 손상 임계치 결정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 수분 흡수 계수를 기반으로 한 열 시뮬레이션은 실험 측정과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 1100–1550 nm 범위 내에서 광열 손상 없이 가장 높은 안전한 레이저 출력을 제공할 수 있는 파장은 무엇인가?
• RQ5 수분 및 환경 조건의 변화가 열 반응 측정의 재현성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1100 nm에서 최소 온도 상승(1.9 ± 0.1 °C)이 관찰되어 연구 범위 내에서 가장 낮은 열 위험을 나타낸다.
• 수분 부피 분율 65%인 조직에서 1425 nm에서 최대 온도 상승(37.6 °C)이 관찰되었으며, 이는 최대 흡수에 해당한다.
• 1450 nm를 초과하여 수분 흡수가 감소함에 따라 온도 상승이 크게 감소하였고, 1550 nm에서는 최소한의 가열이 관찰되었다.
• 수분 부피 분율 65%로 설정한 시뮬레이션에서 실험 데이터와 가장 잘 일치하였으며, 1425 nm에서 37.6 °C 상승을 나타내었다.
• 1100–1150 nm 및 1250–1300 nm 범위의 파장에서는 1450 nm 대비 최대 100배 높은 안전한 출력 공급이 가능하다.
• 1425–1550 nm 범위에서의 가열 변화는 샘플 간 수분 함량 및 환경 습도의 차이로 기인한 것으로 분석되었다.