光的声音:造影为生物医学应用

婆婆Jans和泽维尔乔纳森蛾

比利时鲁汶imec Kapeldreef 75年,3001年

DOI:https://doi.org/10.1255/sew.2022.a1
©2022年作者
发表在Creative Commons BY-NC-ND执照

在体内

医学成像技术提供了一个独特的观点体内并为诊断和疾病监测是无价的。从x射线,通过超声波的磁共振成像(MRI),是巨大的和多样化。生物组织成像时,模式的选择取决于用于成像的对比和分辨率和深度之间的权衡。光波可以生成高分辨率图像但不要旅行远镇定。更深层次的组织,光线分散导致模糊的图像。高能x射线形成一个特例,因为他们渗透到组织和收益率高分辨率图像,但他们的电离辐射限制其使用。

为了克服这些缺点,其他选项,不依赖于非微扰光传播的探索。声或声波是众所周知的安全监测胎儿在子宫里使用超声波成像。这些机械波散射低于可比的频率或波长的电磁波,这样他们就可以达到更深的组织对象。然而,超声图像通常遭受低分辨率。磁共振成像,基于无线电波与氢原子核相互作用,显示了良好的深度探索类似的特性但有限的决议。MRI图像细节比超声波图像,但他们通常不实时,是静态的。此外,MRI是一种繁琐的技术,通常需要造影剂增强分辨率。

的软肋之间建立了成像方法分辨率的光学成像的新技术出现和良好的类以声音为基础的成像深度渗透,叫做造影(PA)。它能够成像比其他技术不需要更好的血管造影剂或x射线曝光(光声成像,PAI)。爸爸也可以申请光谱描述一个物体的光谱特性当光与它交互(半岛综合体育官方APP下载德甲光声光谱,PAS),例如,确定生物分子和监控他们的浓度基于一个独特的光谱特征(图1)。Imec目前正在技术开启PA为生物医学应用的潜力。

图1所示。成像和光谱。半岛综合体育官方APP下载德甲虽然几光谱成像探索一个更大的地区组件(蓝、红、黄),光谱展现整个光谱特征的一个组件。半岛综合体育官方APP下载德甲

轻的声音

PA光线和声音结合创建一个图像基于光声效应的首次发现,亚历山大·格雷厄姆·贝尔在一个世纪以前。贝尔发现某些材料发出声音时的光脉冲。吸收的光会导致这些材料的分子热起来。热反过来产生压力变化时分子扩大和放松,推动周围的组织。这种压力或声波可以检测到一个(组)麦克风(s)和重建高分辨率图像(图2)。

图2。光声原则。的光脉冲打击组织时,分子吸收光将扩大和放松由于热。能被探测到的这些振动引起压力波和重建图像。

PA的优点是,它不关注与光在组织而是减弱声音。只有目标分子或结构,吸收光线会选择性地发送压力波。这意味着“光学对比度图像可以在浑浊的更深的位置和实现结构。也有不需要荧光标签或标记。通过调整激光的波长目标结构的对比可以增强或通过使用不同波长不同的结构得以成像在一个图像。一个有趣的应用程序是检测血液中血红蛋白氧饱和度水平,含氧和缺氧血红蛋白吸收不同波长的。这些特点申请光谱学,导致技术背景和很低的检测极限为零。半岛综合体育官方APP下载德甲当光照射到样本,它只会发出声波如果一点数量的粒子存在,吸收光线。

高灵敏度超声波麦克风

半导体技术使集成两个敏感的麦克风和光源光谱纯度高到一个芯片上,让PA感应到一个新的层次。detector-side,一个大型的、密集的高灵敏度麦克风用超声高带宽读出是必需的。在爸爸很小,因为组织的信号衰减。更敏感、低噪音麦克风,更深的组织可以听。Imec的当前拥有多功能超声波传感器被认为是一流的光声和超声成像。¹它是基于一个光学机械波导,而不是一个压电晶体,将声音转换成可测量的光学信号(图3)。新方法的结果在检出限两个数量级比最先进的压电元素相同的大小。这使应用程序像through-skull功能性大脑成像,强大的压力波非常小因为超声波衰减的骨头。此外,这些微型传感器的小节距矩阵可以很容易地集成和光子芯片上的多路复用器,打开微型导管等新应用程序的方法。

图3。imec的横截面和SEM图像拥有多功能超声波传感器。

光创造声音

用于成像,光源通常有一个或几个波长。目标结构将吸收首选的波长的光。第二次或第三次波长可以配套使用来创建一个背景为目标结构。成像光源高功率,保证足够的能量密度来生成一个图像在大量的组织(约1厘米³)。最后,他们需要能够脉冲光。一个热膨胀的分子不会产生压力波。为了实现这一目标,分子也有放松。交替扩张和放松,出现脉动光时,创建一个可以检测到的声波。

光谱学的半岛综合体育官方APP下载德甲需求有所不同。在这种情况下,您需要一个可协调的光源,或一个光源波长范围广泛,可以调节生成声学信号。然而,许多独立的技术通常需要采集图像在每个波长的利息、延长成像时间和创建错误当样本之间的收购。双梳激光将构成一个优雅的解决这个问题,因此,在研究应用。

光学频率梳同时产生成千上万的离散光频段等间距的和非常狭窄,就像一把梳子的牙齿(图4)。在双梳源,两个梳子组合,一个频率略有变化的比其他。双梳齿,一个从每个梳,互相干扰,导致“跳动”。检测到麦克风打笔记。每一对的平均光学频率调制与一个独特的声频,换句话说,光吸收光谱复制到声学领域。例如,对于“绿色”波长梳子,平均绿色将目标分子吸收,编制了一个独特的音调与频率等于两者的区别“绿色”光学频率。如果麦克风拿起绿色的声频信号,你可以看到一个谱峰频率。

图4。dual-comb光源的原理。两个频率梳光频段略有不同交互产生跳动。麦克风可以探测到打笔记独特的频率,当光线被吸收。

Imec光子学研究小组一起,Imec根特大学研究小组最近创建了一个锁模激光器最受欢迎的光源来生成一个双comb-that可以集成在芯片(图5)。²芯片上集成打开的可能性小型化、稳定、低成本的激光源。目前硅平台上演示显示性能对脉冲能量有限,噪音和稳定性由于相对较高的波导损耗和温度敏感性的平台。Imec集成锁模激光器是捏造的合成物(罪)。罪恶是光子集成平台的一个主要特点很低的波导损耗和低温度灵敏度相比,例如,硅。结果是一个high-pulse-energy的第一步,低噪声,芯片上的锁模激光器imec dual-comb PA光谱学研究作为候选人。半岛综合体育官方APP下载德甲

图5。锁模激光器的原理图设计的罪恶imec和光子学根特大学的研究小组。

光源的光谱

dual-comb激光光源的劳斯莱斯,但不是所有应用程序都需要这样一个奇特的光源。有限公司₂,例如,吸收峰在4.3μm如此之大,它可以检测到用一个简单的黑体辐射器发出的宽带,连续光谱。有限公司₂感应,而异常;好光谱仪复杂传感类似的组件仍然需要一个好的光源比较窄的光谱带宽,如量子级联激光器阵列或dual-comb激光。除了这些高端资源,庞大imec也正在研究基于发光二极管(led)光源。led是有趣的候选人成像和光谱,因为他们都是低成本、健壮和容易使用。半岛综合体育官方APP下载德甲led的挑战,另一方面,是他们不产生光谱哪双梳激光。通过结合两到六led你已经可以实现一个粗略的光谱。尽管解决吸收峰将是困难的,与相关的背景和其他处理技术这是可能的。当前工作在imec专注于一个数组的led芯片上的可见范围。

应用程序

PAI并不是正在成为新的、非侵入性技术为生物医学应用,填补现有模式之间(图6)。PAI是特别适合于图像血管和血氧饱和度,由于血红蛋白有很强的PA签名。因此,肿瘤的诊断,通常显示neovascularisation,是派一个潜在的应用领域。特别是,PAI正在调查作为替代乳房x光检查。乳房x光检查是主要的检查方法对乳腺癌的今天。然而,它可以是痛苦的,包括暴露在x射线和仍然显示致密的乳房组织中检测肿瘤的困难。PA可以达到深度> 5厘米,不使用有害的辐射,可以清楚地显示肿瘤周围血管的新网络调优血红蛋白的吸收频率的光源。其他成像应用程序包括功能性大脑成像、检测动脉硬化和视网膜成像。

图6。造影使非侵入性,为生物医学应用高分辨率遥感。

不是可以用来检测生物标志物等血皮质醇,或呼吸分析。然而,圣杯是非侵入式血糖感应为糖尿病患者是至关重要的。这是一个具有挑战性的应用程序,因为葡萄糖信号通常是弱由于人类皮肤的差异和变化皮肤发生取决于环境。一旦你有一个健壮的葡萄糖传感器,你也能了解葡萄糖代谢和浓度如何变化,因为信号会来得更葡萄糖浓度较高。最重要的是,检测方法是过去的事了。

引用

1. j•21岁,医学博士,Mahmud-Ul-Hasan r . Shnaiderman诉Ntziachristos x次,美国Severi诉Rochus,“敏感,小,宽带和可伸缩的光机位超声波传感器硅光子学”,自然光子学15日,341 - 345 (2021)。https://doi.org/10.1038/s41566 - 021 - 00776 - 0
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