【聚焦激光】光声成像应用的激光器选择

2023-09-26 15:07:16, 聚焦光电前沿领域 北京先锋泰坦科技有限公司


                        文丨吴京航

编辑丨瑞秋

发布丨先锋科技

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本期摘要:光声成像应用的激光器选择


本期关键词:光声成像应用,激光器



前沿:

从光声成像应用的光源选择上,分析牵涉到的一些指标,并分别列举三种光声激发用激光器品类,以及推荐的参考型号参数。

正文

光声成像技术的简单原理是:当物质(比如生物组织)被脉冲宽度为若干纳秒的激光脉冲照射时,物质会吸收激光能量并将其转换为热能,会产生瞬间的热膨胀并迅速的恢复,这个瞬间膨胀并恢复的微小弛豫过程会导致频率落在超声波段的振动,这个振动是可以方便的被超声波换能器接收并实现超声波成像。简而言之,就是脉冲光诱导超声,后续实现超声成像,即光声成像(Photoacoustic Imageing) .

我们知道,光在生物组织内会产生很大的散射,组织中的散射比光学信号的散射弱2~3个数量级,与传统的光学成像技术相比,光声成像技术可实现深层组织光学吸收的高分辨率成像。

而和传统的B型超声波成像技术比较,光声信号的产生是光吸收产生主动诱导的超声,而随着生物组织的不同,光吸收率是不同的,超声产率也是不同的。我们马上可以想到,如果调谐激光波长到某组织较佳的吸收波长上,不单单可以获得较佳的超声产率,从而实现选择性激发;实现远远超过B型超声成像空间分辨率和组织分辨率的三维成像(比如血管成像,黑色素,脂质分布成像);又比如可以选择如血红蛋白吸收峰797nm做激发,做包括血红蛋白浓度、氧饱和度、血流速率、代谢速率等功能性生理特征成像;进一步的,还可以开发外源性造影剂,进一步的增强信噪比,提升成像质量,实现靶向组织(比如癌症病理组织)的高指向性成像,以利癌症的早期筛查和治疗。


从光声成像应用的光源选择上,大致牵涉到如下一些指标:


1,激光能量:大致为mJ级别以上,能量越高自然激发出的超声越强,但考虑到生物组织对于激光辐射的耐受,一般控制到激光能量密度20-100mJ/cm2,而应用到人体检测时,肯定还需要通过繁复严格的人体安全认证。这就是现在商用光声成像系统大多是小动物成像系统的原因之一。另一方面我们也可以推知,激发用激光不是功率或能量越高越好,有时为了保护生物组织,是要对激光做扩束或衰减的。

2,脉冲宽度: 为了有效的激发光致超声,激光的脉冲宽度选择在纳秒量级较适合。而获得纳秒激光脉冲常见有两种形式,一个是利用Q开关产生纳秒脉冲,Q开关关闭时是让激光器内部积蓄能量,而后Q开关打开是,激光就在纳秒时间内发射,优点是由于有了能量积蓄再发射的功能,输出能量高,脉冲波形好。缺点是成本稍高,激光器体积稍大。另一种形式是对半导体激光管做直接的脉冲调制,优点是价格低,激光体积小;缺点是脉冲能量较低,脉冲波形稍差。

3,激光波长:一般会集中在可见光到近红外波段。波长的选择大致的规律是:波长越长,穿透生物组织的深度越深(这就是不断有人会尝试更长波段激发的原因);波长越短,往往需要选择相对低的激光能量以保护组织(由于组织穿透深度相对更浅,同等的激光能量会更容易在浅表组织聚集);第三是根据不同组织选择特定的激发波长,其中OPO激光器可以连续调谐波长是光声成像里的高端光源。如果把OPO里面的泵浦激光器(即Q开关的YAG激光器)孤立出来,也可以做光声激发,相当于放弃了OPO波长可调谐的功能,输出波长就只保留了532nm绿光和1064nm近红外;另外保留了Q开关纳秒高能量的功能,实际来看,纳秒YAG激光器因为其价格远低于OPO可调谐激光器,是光声成像实验室非常好的常规光源,从使用量上看是高于OPO可调谐激光器的。第三类激光器是小型纳秒脉冲激光二极管或LED, 好处是有多个波长可以选择,体积小,能耗低,价格便宜,且适合于系统整合,缺点是脉冲能量较低,脉冲波形稍差。 


下面分别列举上述三种光声激发用激光器的参考型号


1. 可调谐OPO(光学参量振荡器)激光器:

代表厂家:美国OPOTEK公司,是一家将OPO激光器产业化的公司,其Phocus Mobile光声成像应用专用可调谐OPO激光器,以其使用简便,工作稳定著称,并被多家光声成像厂家和研究组应用在小动物光声成像系统中。

对光声成像应用客户而言,首推型号是Phocus Mobile,因其在各个方面都周全照顾到客户的使用场景。

内置稳定的法国Qsmart型Nd:YAG激光泵浦源

自动相位匹配,内置功率计和波长计

视窗化软件完成操作控制,一键转换波长,可设置单发转换波长和单发快速波长扫描。

整机内置减震,适合快速推车转场,光纤输出适合耦合匹配至光声成像模块。

整机高度集成化和自动化,客户无需任何激光经验也可在半天内由我司培训操作与维护。

我司是OPOTEK可调谐激光器和Quantel激光泵源的中国维修服务站,可为客户提供优化到器件级别的经济与高效的服务。


2. 纳秒Nd:YAG激光器:

表厂家:法国Lumibird-Quantel 公司,对于光声成像应用,单独Nd:YAG激光器的优点是价格便宜很多,但输出波长一般只有532nm1064nm。客户往往是生物医学方向,希望拿到的激光器是操作维护简便,工作稳定;Quantel的系列激光器非常符合这样的要求。用户可在不同的激光能量与激光重复频率的匹配上做如下的选择:                                                                                                                                                                      



3. 纳秒脉冲二极管激光器:

代表厂家:Lumibird-Quantel, 脉冲二极管激光器做光声成像的光源有由于体积小,能耗低;特别适合于集成进标准的B型超声波操作手柄内,Quantel公司已经和多家友商合作,如您希望做类似的产品研发,可联系Quantel公司在华代理先锋科技公司。


如果是科研客户,您可以选择标准纳秒脉冲二极管激光器,Quantel可在一台激光器内集成4个波长的发射模块,这样客户就可以自由切换波长做选择性激发。

本文相关设备



高能量光声成像OPO激光器 Phocus



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