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        光聲成像應用的激光器選擇

        更新更新時間:2023-10-20 點擊次數:481

        光聲成像技術的簡單原理是:當物質(比如生物組織)被脈沖寬度為若干納秒的激光脈沖照射時,物質會吸收激光能量并將其轉換為熱能,會產生瞬間熱膨脹并迅速的恢復,這個瞬間膨脹并恢復的微小弛豫過程會導致頻率落在超聲波段的振動,這個振動是可以方便的被超聲波換能器接收并實現超聲波成像。簡而言之,就是脈沖光誘導超聲,后續實現超聲成像,即光聲成像(Photoacoustic Imageing) .

        我們知道,光在生物組織內會產生很大的散射,組織中的散射比光學信號的散射弱2~3個數量級,與傳統的光學成像技術相比,光聲成像技術可實現深層組織光學吸收的高分辨率成像。

        而和傳統的B型超聲波成像技術比較,光聲信號的產生是光吸收產生主動誘導的超聲,而隨著生物組織的不同,光吸收率是不同的,超聲產率也是不同的。我們馬上可以想到,如果調諧激光波長到某組織最佳的吸收波長上,不單單可以獲得最佳的超聲產率,從而實現選擇性激發;實現遠遠超過B型超聲成像空間分辨率和組織分辨率的三維成像(比如血管成像,黑色素,脂質分布成像);又比如可以選擇如血紅蛋白吸收峰797nm做激發,做包括血紅蛋白濃度、氧飽和度、血流速率、代謝速率等功能性生理特征成像;進一步的,還可以開發外源性造影劑,進一步的增強信噪比,提升成像質量,實現靶向組織(比如癌癥病理組織)的高指向性成像,以利癌癥的早期篩查和治療。

        從光聲成像應用的光源選擇上,大致牽涉到如下一些指標:

        1. 激光能量:大致為mJ級別以上,能量越高自然激發出的超聲越強,但考慮到生物組織對于激光輻射的耐受,一般控制到激光能量密度20-100mJ/cm2,而真正應用到人體檢測時,肯定還需要通過繁復嚴格的人體安全認證。這就是現在商用光聲成像系統大多是小動物成像系統的原因之一。另一方面我們也可以推知,激發用激光不是功率或能量越高越好,有時為了保護生物組織,是要對激光做擴束或衰減的。

        2. 脈沖寬度: 為了有效的激發光致超聲,激光的脈沖寬度選擇在納秒量級較適合。而獲得納秒激光脈沖最常見有兩種形式,一個是利用Q開關產生納秒脈沖,Q開關關閉時是讓激光器內部積蓄能量,而后Q開關打開是,激光就在納秒時間內發射,優點是由于有了能量積蓄再發射的功能,輸出能量高,脈沖波形好。缺點是成本稍高,激光器體積稍大。另一種形式是對半導體激光管做直接的脈沖調制,優點是價格低,激光體積??;缺點是脈沖能量較低,脈沖波形稍差。

        3. 激光波長:一般會集中在可見光到近紅外波段。波長的選擇大致的規律是:波長越長,穿透生物組織的深度越深(這就是不斷有人會嘗試更長波段激發的原因);波長越短,往往需要選擇相對低的激光能量以保護組織(由于組織穿透深度相對更淺,同等的激光能量會更容易在淺表組織聚集);第三是根據不同組織選擇特定的激發波長。如果把OPO里面的泵浦激光器(即Q開關的YAG激光器)孤立出來,也可以做光聲激發,相當于放棄了OPO波長可調諧的功能,輸出波長就只保留了532nm綠光和1064nm近紅外;另外保留了Q開關納秒高能量的功能,實際來看,納秒YAG激光器因為其價格遠低于OPO可調諧激光器,是光聲成像實驗室非常好的常規光源,從使用量上看是高于OPO可調諧激光器的。第三類激光器是小型納秒脈沖激光二極管或LED, 好處是有多個波長可以選擇,體積小,能耗低,價格便宜,且適合于系統整合,缺點是脈沖能量較低,脈沖波形稍差。

        下面分別列舉上述三種光聲激發用激光器的參考型號

        1. 可調諧OPO(光學參量振蕩器)激光器:

        代表廠家:美國OPOTEK公司,其Phocus Mobile光聲成像應用專用可調諧OPO激光器,以其使用簡便,工作穩定著稱,并被多家光聲成像廠家和研究組應用在小動物光聲成像系統中。

        型號

        Phocus SE Moblie

        Phocus HE Moblie

        OPO輸出波長nm

        690-950 nm

        可選閑置光輸出nm

        1200-2600 nm

        輸出頻率Hz

        20

        10

        OPO峰值輸出能量mJ

        60

        150

        光斑大小mm

        6.5

        9

        光纖輸出

        標配

        對光聲成像應用客戶而言,推薦型號是Phocus Mobile,因其在各個方面都周全照顧到客戶的使用場景。

        -內置超級穩定的法國QsmartNd:YAG激光泵浦源

        -自動相位匹配,內置功率計和波長計

        -視窗化軟件完成操作控制,一鍵轉換波長,可設置單發轉換波長和單發快速波長掃描。

        -整機內置減震,適合快速推車轉場,光纖輸出適合耦合匹配至光聲成像模塊。

        -整機高度集成化和自動化,客戶無需任何激光經驗也可在半天內由我司培訓操作與維護。

        -我司是OPOTEK可調諧激光器和Quantel激光泵源的中國維修服務站,可為客戶提供優化到器件級別的經濟與高效的服務。

        2. 納秒Nd:YAG激光器:

        代表廠家:法國Lumibird-Quantel 公司,對于光聲成像應用,單獨Nd:YAG激光器的優點是價格便宜很多,但輸出波長一般只有532nm1064nm??蛻敉巧镝t學方向,希望拿到的激光器是操作維護超級簡便,工作穩定;Quantel的系列激光器非常符合這樣的要求。用戶可在不同的激光能量與激光重復頻率的匹配上做如下的選擇:

        型號

        Ultra

        CFR

        DRL

        Qsmart

        Merion C

        1064nm能量 (mJ)

        20-100

        200-400

        100-800

        450-850

        100-200

        532nm能量 (mJ)

        12-55

        130-200

        50-370

        220-430

        50-100

        重復頻率(Hz)

        20-50

        10-30

        10-200

        10-20

        200-400

        3. 納秒脈沖二極管激光器:

        代表廠家:Lumibird-Quantel, 脈沖二極管激光器做光聲成像的光源有由于體積小,能耗低;特別適合于集成進標準的B型超聲波操作手柄內,Quantel公司已經和多家友商合作,如您希望做類似的產品研發,可聯系Quantel公司在華代理先鋒科技公司。

        如果是科研客戶,您可以選擇標準納秒脈沖二極管激光器,Quantel可在一臺激光器內集成4個波長的發射模塊,這樣客戶就可以自由切換波長做選擇性激發。

         

         

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