Tomografia optoacustica multiplexata a lunghezza d'onda di frequenza

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4448 (2022) Citare questo articolo

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L'optoacustica (OA) è implementata in gran parte nel dominio del tempo (TD) per ottenere elevati rapporti segnale-rumore massimizzando il transitorio di energia luminosa di eccitazione. Sono state proposte implementazioni nel dominio della frequenza (FD), ma soffrono di bassi rapporti segnale-rumore e non hanno offerto vantaggi competitivi rispetto ai metodi nel dominio del tempo per raggiungere un'elevata diffusione. Si ritiene quindi comunemente che la TD sia il modo ottimale per eseguire l'optoacustica. Qui introduciamo un concetto optoacustico basato sull'illuminazione del treno di impulsi e sul multiplexing nel dominio della frequenza e dimostriamo teoricamente i meriti superiori dell'approccio rispetto al dominio del tempo. Quindi, utilizzando i recenti progressi nell'illuminazione a diodi laser, lanciamo la tomografia optoacustica con multiplexing di lunghezza d'onda di frequenza (FWMOT), a più lunghezze d'onda, e mostriamo sperimentalmente come FWMOT ottimizza i rapporti segnale-rumore delle misurazioni spettrali rispetto ai metodi nel dominio del tempo in fantasmi e in vivo. Scopriamo inoltre che FWMOT offre il funzionamento multispettrale più veloce mai dimostrato in optoacustica.

La generazione di segnali optoacustici (OA) richiede l'illuminazione del campione con transitori di energia (ad esempio, illuminazione pulsata o sinusoidale)1. Il campione assorbe questa energia variabile nel tempo e successivamente genera un'onda acustica attraverso l'espansione termoelastica2. Le implementazioni OA nel dominio del tempo (TD) offrono grandi transitori di energia mediante impulsi luminosi della durata di nanosecondi3,4,5,6, al fine di soddisfare i limiti di confinamento termico e di stress necessari per la generazione di segnali optoacustici7. Un impulso di durata di nanosecondi massimizza inoltre l'energia transitoria e ottimizza il rapporto segnale-rumore (SNR), rendendo così TD il dominio di scelta nell'optoacustica8,9,10. L'imaging optoacustico TD registra il tempo di volo delle onde ultrasoniche (US) generate in più punti sulla superficie dell'oggetto interrogato mediante un trasduttore ultrasonico sensibile e, utilizzando l'inversione matematica, converte queste misurazioni in mappe tridimensionali di assorbimento ottico11.

Altre modalità di imaging come la tomografia a coerenza ottica (OCT) o la risonanza magnetica (MRI) sono state originariamente dimostrate nel TD, ma hanno beneficiato, in termini di velocità di imaging e SNR, dal passaggio al dominio della frequenza (FD)12,13 . Anche l'optoacustica nel dominio della frequenza (FD) è stata considerata un'alternativa alla TD, modulando l'intensità dell'illuminazione a una frequenza discreta e rilevando i segnali OA generati alla stessa frequenza14,15,16. Il rilevamento del segnale si ottiene con tecniche di demodulazione che recuperano l'ampiezza e la fase del segnale OA, una tecnologia più semplice ed economica rispetto alla registrazione di segnali temporali a frequenze di campionamento di decine di MHz, come è comune nel rilevamento TD. FD può anche consentire l'illuminazione simultanea a più lunghezze d'onda, modulando sorgenti di colore diverso a frequenze diverse17,18,19. Nonostante questi vantaggi, la luce ad intensità modulata14,15,16 fornisce transitori energetici e corrispondenti segnali optoacustici che sono fino a sei ordini di grandezza19 più deboli degli impulsi ultracorti utilizzati in TD, riducendo drasticamente l'SNR nell'FD20,21,22. Inoltre, le indagini optoacustiche a una singola frequenza non riescono a raccogliere informazioni sulla profondità o portano a immagini tridimensionali. Abbiamo recentemente dimostrato23 che le informazioni sulla profondità e la ricostruzione dell'immagine tridimensionale richiedono la generazione di segnali a frequenze multiple discrete, un requisito che porta a schemi complessi di emissione (modulazione) e rilevamento (demodulazione)23,24. Pertanto, nonostante i potenziali vantaggi rispetto a TD17,18,19,23,24, FD ha avuto scarso impatto nel campo dell'optoacustica. Il chirp di frequenza è stato studiato anche come metodo ibrido TD-FD, modulando la luce a una frequenza che varia continuamente17,25, codificando così il tempo in frequenza. Il rilevamento viene effettuato nel TD utilizzando tecniche di correlazione temporale. Similmente ai metodi FD, tuttavia, l'uso delle onde sinusoidali limita l'SNR raggiunto, limitando l'uso degli approcci chirp alle indagini sperimentali.