[논문 리뷰] One laser pulse generates two photoacoustic signals

Fei Gao, Xiaohua Feng외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 25.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 26인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 장수명 레이저 펄스에 의해 유도되는 이중 광음향( LDPA) 효과를 소개한다. 이 효과는 단일 레이저 펄스당 두 개의 구분되는 광음향 신호를 생성한다. 첫 번째는 펄스 상승부에서 열팽창에 의해 발생하고, 두 번째는 펄스 감쇠부에서 열수축에 의해 발생한다. 이 방법은 완전한 응력 및 열 봉쇄가 이루어지지 않음을 이용하여, 열확산과 그루나이제인 인자 포화를 통해 진폭 조절이 가능하고 파형이 반전된 신호를 생성하며, 생체영상에서 대비를 향상시키기 위한 새로운 비선형 광음향 접근법을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장수명 펄스를 사용하여 기존의 단수 펄스가 아닌 장수명 펄스를 이용한 이중 광음향 신호 생성을 조사하는 것.
• 단일 레이저 펄스에서 발생하는 두 개의 구분되는 광음향 신호의 물리적 메커니즘을 이해하는 것.
• 열확산과 그루나이제인 포화를 포함한 분석 모델을 수립하여 이중 신호 행동을 설명하는 것.
• LDPA 기술이 초대비를 구현하기 위해 체외 및 체내 광음향 영상에서 실현 가능함을 보여주는 것.
• 비선형 광음향 감지에서 펄스 입력 대안으로서 준연속파( quasi-CW) 레이저 자극의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 연구는 장수명의 정사각형 프로파일 레이저 펄스를 사용하여 펄스 시작 시 열팽창을 유도하고, 펄스 감쇠 시 열수축을 일으킨다.
• 광음향 신호는 레이저 펄스의 상승부와 하강부에서 측정되며, 각각 양의 파형과 음의 파형을 유도한다.
• 이중 신호 생성을 기술하기 위해 열확산 효과와 그루나이제인 인자 포화를 포함한 분석 모델이 유도된다.
• 예측된 신호 진폭과 파형을 다양한 펄스 폭에서 측정된 데이터와 비교하여 실험적으로 모델을 검증한다.
• LDPA 기술은 준연속파 레이저 자극으로 확장되어 이중 신호 출력을 갖는 연속파 유사 동작을 가능하게 한다.
• 신호 진폭은 장시간 조명 중 열의 누적과 열확산이 동시에 발생하므로 펄스 폭에 따라 달라진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 장수명 레이저 펄스가 두 개의 광음향 신호를 생성할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 열확산과 불완전한 응력 봉쇄는 이중 광음향 신호의 진폭과 극성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 열확산과 그루나이제인 포화 효과를 사용하여 이중 신호 행동을 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ4 펄스 폭은 두 광음향 신호의 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LDPA 효과는 준연속파 자극을 사용하여 체외 및 체내 광음향 영상에서 초대비를 구현하기 위해 적응 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 첫 번째 광음향 신호는 양의 파형이며, 레이저 펄스 시작 시 급격한 온도 상승에 따른 열팽창으로 인해 발생한다.
• 두 번째 광음향 신호는 음의 파형이며, 펄스 감쇠 시 온도 감소에 따른 열수축으로 인해 발생한다.
• 장시간 조명 중 열의 누적과 열확산이 동시에 발생하므로 신호 진폭은 펄스 폭에 따라 달라진다.
• 열확산과 그루나이제인 포화를 포함한 분석 모델은 이중 신호의 파형과 진폭을 정확히 예측한다.
• LDPA 기술은 준연속파 레이저 자극을 사용하여 체외 및 체내 환경 모두에서 초대비 영상 구현이 가능하다.
• 이중 신호 효과는 응력과 열 봉쇄가 충족되지 않아 기존의 단수 펄스 광음향과 구별된다.