[论文解读] 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 9

一句话总结

本研究通过实验和计算方法评估了1100–1550 nm波段内激光诱导猪皮组织加热效应，结果表明水吸收主导了热响应，损伤阈值因波长不同而相差高达100倍。在1100 nm处加热最低（1.9 ± 0.1 °C），而在1425 nm处达到峰值加热（37.6 °C），这是由于水强烈吸收所致，从而可实现深层组织成像系统中安全功率输出的优化。

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.

研究动机与目标

• 量化猪组织在1100–1550 nm波段内对可调谐激光辐射的热响应。
• 确定生物组织光热损伤的波长依赖性损伤阈值。
• 评估组织含水量（水体积分数）对激光诱导加热的影响。
• 将热模拟结果与实验热成像数据进行验证。
• 为在第二和第三光学窗口使用近红外激光的安全光学成像系统设计提供指导。

提出的方法

• 使用钛蓝宝石激光泵浦的可调谐光学参量振荡器（OPO），在1100–1550 nm范围内以80 MHz重复频率输出120-fs脉冲。
• 通过2.5×成像系统，以500-µm光斑将80 ± 2 mW平均功率（42 ± 1 W/cm²）照射至组织表面。
• 采用FLIR SC6000热成像相机（256×256像素子阵列，9.3 µm/像素）以200 Hz频率记录热分布。
• 在25 nm间隔处进行三重测量，每次照射前移动组织以减少残余加热。
• 基于BTEC方法进行热建模，采用可变水体积分数（49–65%）模拟吸收与温升。
• 将实验热数据与模拟结果相关联，基于吸收系数和含水量估算损伤阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在猪皮组织中，激光诱导组织加热在1100–1550 nm范围内如何变化？
• RQ2 组织含水量在决定热响应和损伤阈值方面起什么作用？
• RQ3 基于水吸收系数的热模拟结果与实验测量结果的匹配程度如何？
• RQ4 在1100–1550 nm范围内，哪些波长允许实现最高安全激光功率输出而不造成光热损伤？
• RQ5 含水量和环境条件的变化如何影响热响应测量的可重复性？

主要发现

• 在1100 nm处温度升高最低，为1.9 ± 0.1 °C，表明该波段在研究范围内热风险最低。
• 当组织水体积分数为65%时，1425 nm处温度升高达到峰值37.6 °C，对应最大吸收。
• 在1450 nm以上，由于水吸收减少，温度升高显著下降，1550 nm处几乎无加热现象。
• 水体积分数为65%的模拟结果与实验数据匹配最佳，1425 nm处温升为37.6 °C。
• 在1100–1150 nm和1250–1300 nm波段，安全功率输出可比1450 nm高出100倍。
• 1425–1550 nm波段内加热差异显著，归因于样本间含水量和环境湿度的差异。