文章图片
文章图片
【光之声: 生物医学应用的光声学】
文章图片
江苏激光联盟导读：
据悉 ， 微型传感器的微调矩阵可以很容易地与光子多路复用器集成在芯片上 ， 这为微型化导管等新应用开辟了道路 。
医学成像技术提供了一种独特的人体内部视图 ， 对于诊断和疾病监测是非常宝贵的 。 从x光、核磁共振到超声 ， 这个领域是广阔而多样的 。 当对生物组织进行成像时 ， 成像方式的选择取决于成像时使用的对比度以及分辨率和深度之间的权衡 。 光波 ， 例如用于内窥镜或显微镜 ， 可以产生高分辨率的图像 ， 但不能在不受干扰的情况下传播很远 。 在组织深处 ， 光线会分散 ， 导致图像模糊 。 高能x射线是一种特殊情况 ， 因为它们可以穿透到组织深处并产生高分辨率的图像 ， 但这种电离辐射限制了它们的使用 。
成像与光谱学 。 成像技术在一些光谱成分(蓝、红、黄)中探索更大的区域 ， 而光谱学则是将一个成分的整个光谱特征可视化 。 来源：IMEC
众所周知 ， 声波可以通过超声波成像安全地监测子宫中的胎儿 。 这些机械波比相同频率或波长的电磁波更少散射 ， 因此它们可以到达组织深处的物体 。 然而 ， 超声图像通常分辨率较低 。 基于无线电波与氢原子核相互作用的磁共振成像(MRI)显示了类似的特征 ， 具有良好的深度探测能力 ， 但分辨率有限 。 mri图像比超声图像有更多的细节 ， 但它们通常不是实时和静态的 。 此外 ， MRI是一项繁琐的技术 ， 经常需要使用造影剂来提高分辨率 。
在这些成像方法之间的软点上 ， 出现了一种具有光基成像分辨率和声基成像深度穿透性的新技术——光声学技术 。 它能够成像比其他技术更精细的血管 ， 而不需要造影剂或x射线曝光(光声成像 ， PAI) 。 光声学也可以应用于描述光与物体相互作用时的光谱特征的光谱学(光声光谱学 ， PAS) ， 例如 ， 以识别生物分子 ， 并根据独特的光谱特征监测其浓度(图1) 。 Imec目前正在研究这项技术 ， 以释放光声学在生物医学应用方面的全部潜力 。 Hilde Jans imec光声学活动的高级科学家和项目经理 ， 以及Xavier Rottenberg imec基于波的传感器和执行器的同事 ， 讨论了半导体技术如何推动PA前进 。
光声原则 。 当光脉冲击中组织时 ， 吸收光的分子会因热而扩张和放松 。 这些振动会产生一种压力波 ， 这种压力波可以被检测到 ， 并被重建成图像 。 来源:IMEC
光的声音
PA结合光和声音 ， 以一个世纪前AlexanderGraham Bell首次发现的光声效应为基础 ， 创造出一种图像 。 Bell注意到 ， 某些材料受到光脉冲的冲击时会发出声音 。 对光的吸收使这些材料中的分子升温 。 当分子膨胀、放松并推动周围组织时 ， 热量反过来产生压力变化 。 这种压力或声波可以被(阵列)麦克风探测到 ， 并重建成高分辨率的图像(图2) 。
“PA的优点是你不用对光(光在组织中会减弱)聚焦 ， 而是用声音 。 只有吸收光的目标分子或结构才会有选择地发出压力波 。 这意味着你可以在更深的位置和浑浊的结构中获得‘光学对比度’图像 。 也不需要荧光标签或标签 。 通过调节激光束的波长 ， 你可以增强目标结构的对比度 ， 或者通过使用不同的波长 ， 你可以在一张图像中看到不同的结构 。 一个有趣的应用是检测血液中血红蛋白的氧饱和度水平 ， 其中含氧和脱氧血红蛋白在不同波长吸收 ， ”Hilde Jans解释说 。 “这些特性也适用于光谱学 ， 从而实现了一种零背景、检测限很低的技术 。 当你把光照射到一个样品上时 ， 只有在有最微小的粒子存在并吸收光的情况下 ， 它才会发出声波 。 ”
imec的光机械超声传感器的截面和扫描电镜图像 。 来源:IMEC
高灵敏度超声波麦克风
Hilde Jans:“半导体技术使超灵敏麦克风和高光谱纯度光源集成到芯片上 ， 将光声传感带到一个新的水平 。 在探测器侧 ， 需要一个大的 ， 高密度阵列的高灵敏度超声麦克风和高带宽的读数 。 由于组织衰减 ， PA内的信号非常小 。 麦克风越敏感 ， 噪音越低 ， 你就能在组织的深处听到声音 。 Imec目前的光机械超声传感器被认为是在光声和超声成像方面最好的(Westerveld ， 2021年) 。 它是基于光机械波导而不是压电晶体来将声音转换为可测量的光信号(图3) 。 这种新方法的检测极限比相同尺寸的最先进的压电元件好两个数量级 。 这使得像穿透颅骨功能脑成像这样的应用成为可能 ， 在这种情况下 ， 由于骨骼的强超声波衰减 ， 压力波非常小 。 此外 ， 这些微型传感器的微调矩阵可以很容易地与光子多路复用器集成在芯片上 ， 这为微型化导管等新应用开辟了道路 。 ”
推荐阅读
- ?当心科学中的偏见破坏科学的基础
- ?我们要知道，寻找地外智能是很大的挑战
- 超精密原子钟为新物理发现做好准备——每3000亿年仅损失一秒
- 微型天线支持便携式生物医学、食品分析和其他纳米和太赫兹技术
- 魔鬼蛙到底有多恐怖？它真的能吃恐龙吗？
- “大冻结”中微子发生暗能量效应
- 为什么宇宙存在了138亿年，人类却始终没遇到外星人？
- 外部生物医学资源有助于许多生物医学研究，例如测量医学相似性等
- 对的药物相互作用的了解越多，其造成的负面影响就越小