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最新消息| 光之聲:生物醫學應用的光聲學|光譜|光學|光譜學|激光器_網易訂閱 | 2022-04-11 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://www.163.com/dy/article/H2E3K5OU0531549P.html" 江蘇激光聯盟導讀：據悉，微型傳感器的微調矩陣可以很容易地與光子多路復用器集成在芯片上，這為微型化導管等新應用開辟了道路。醫學成像技術提供了一種獨特的人體內部視圖，對于診斷和疾病監測是非常寶貴的。從x光、核磁共振到超聲，這個領域是廣闊而多樣的。當對生物組織進行成像時，成像方式的選擇取決于成像時使用的對比度以及分辨率和深度之間的權衡。光波，例如用于內窺鏡或顯微鏡，可以產生高分辨率的圖像，但不能在不受干擾的情況下傳播很遠。在組織深處，光線會分散，導致圖像模糊。高能x射線是一種特殊情況，因為它們可以穿透到組織深處并產生高分辨率的圖像，但這種電離輻射限制了它們的使用。成像與光譜學。成像技術在一些光譜成分(藍、紅、黃)中探索更大的區域，而光譜學則是將一個成分的整個光譜特征可視化。來源：IMEC眾所周知，聲波可以通過超聲波成像安全地監測子宮中的胎兒。這些機械波比相同頻率或波長的電磁波更少散射，因此它們可以到達組織深處的物體。然而，超聲圖像通常分辨率較低。基于無線電波與氫原子核相互作用的磁共振成像(MRI)顯示了類似的特征，具有良好的深度探測能力，但分辨率有限。mri圖像比超聲圖像有更多的細節，但它們通常不是實時和靜態的。此外，MRI是一項繁瑣的技術，經常需要使用造影劑來提高分辨率。在這些成像方法之間的軟點上，出現了一種具有光基成像分辨率和聲基成像深度穿透性的新技術——光聲學技術。它能夠成像比其他技術更精細的血管，而不需要造影劑或x射線曝光(光聲成像，PAI)。光聲學也可以應用于描述光與物體相互作用時的光譜特征的光譜學(光聲光譜學，PAS)，例如，以識別生物分子，并根據獨特的光譜特征監測其濃度(圖1)。Imec目前正在研究這項技術，以釋放光聲學在生物醫學應用方面的全部潛力。HildeJans,imec光聲學活動的高級科學家和項目經理，以及XavierRottenberg,imec基于波的傳感器和執行器的同事，討論了半導體技術如何推動PA前進。光聲原則。當光脈沖擊中組織時，吸收光的分子會因熱而擴張和放松。這些振動會產生一種壓力波，這種壓力波可以被檢測到，并被重建成圖像。來源:IMEC光的聲音PA結合光和聲音，以一個世紀前AlexanderGrahamBell首次發現的光聲效應為基礎，創造出一種圖像。Bell注意到，某些材料受到光脈沖的沖擊時會發出聲音。對光的吸收使這些材料中的分子升溫。當分子膨脹、放松并推動周圍組織時，熱量反過來產生壓力變化。這種壓力或聲波可以被(陣列)麥克風探測到，并重建成高分辨率的圖像(圖2)。“PA的優點是你不用對光(光在組織中會減弱)聚焦，而是用聲音。只有吸收光的目標分子或結構才會有選擇地發出壓力波。這意味著你可以在更深的位置和渾濁的結構中獲得‘光學對比度’圖像。也不需要熒光標簽或標簽。通過調節激光束的波長，你可以增強目標結構的對比度，或者通過使用不同的波長，你可以在一張圖像中看到不同的結構。一個有趣的應用是檢測血液中血紅蛋白的氧飽和度水平，其中含氧和脫氧血紅蛋白在不同波長吸收，”HildeJans解釋說。“這些特性也適用于光譜學，從而實現了一種零背景、檢測限很低的技術。當你把光照射到一個樣品上時，只有在有最微小的粒子存在并吸收光的情況下，它才會發出聲波。”imec的光機械超聲傳感器的截面和掃描電鏡圖像。來源:IMEC高靈敏度超聲波麥克風HildeJans:“半導體技術使超靈敏麥克風和高光譜純度光源集成到芯片上，將光聲傳感帶到一個新的水平。在探測器側，需要一個大的，高密度陣列的高靈敏度超聲麥克風和高帶寬的讀數。由于組織衰減，PA內的信號非常小。麥克風越敏感，噪音越低，你就能在組織的深處聽到聲音。Imec目前的光機械超聲傳感器被認為是在光聲和超聲成像方面最好的(Westerveld，2021年)。它是基于光機械波導而不是壓電晶體來將聲音轉換為可測量的光信號(圖3)。這種新方法的檢測極限比相同尺寸的最先進的壓電元件好兩個數量級。這使得像穿透顱骨功能腦成像這樣的應用成為可能，在這種情況下，由于骨骼的強超聲波衰減，壓力波非常小。此外，這些微型傳感器的微調矩陣可以很容易地與光子多路復用器集成在芯片上，這為微型化導管等新應用開辟了道路。”光創造聲音雙梳狀光源原理。光學頻帶略有不同的兩個頻率梳相互作用產生拍散。當光線被吸收時，麥克風可以檢測到特定頻率上的節拍。來源:IMEC為了成像的目的，光源通常有一個或幾個波長。目標結構將吸收首選波長的光。然后可以使用第二或第三波長的互補來創建目標結構的背景。成像光源功率高，能保證足夠的能量密度，在大體積(約1立方厘米)的組織中產生圖像。最后，它們需要能夠發出脈動光。分子的一次熱膨脹不會產生壓力波。要做到這一點，分子也必須向后放松。當對光線進行脈動時，這種交替的擴張和松弛會產生一種可探測到的聲波。對于光譜學來說，要求稍有不同。在這種情況下需要一個可調光源，或者一個波長范圍很寬的光源，可以通過調制來產生聲信號。然而，該技術通常需要在每個感興趣的波長采集許多單獨的圖像，這延長了成像時間，并在采樣之間移動時產生誤差。雙梳狀激光器將構成一個優雅的解決這個問題，因此正在研究光聲應用。一個光學頻率梳同時產生數千個離散的光學頻帶，這些頻帶均勻間隔，非常窄，就像一個梳子的齒(圖4)。在雙梳子源中，兩個梳子被組合在一起，其中一個的頻率相對于另一個略有偏移。一對梳子齒，每個梳子上的一個，相互干擾導致“敲打”。節拍音符由麥克風檢測到。每一對的平均光頻率被調制為一個獨特的聲頻，換句話說，光吸收光譜被復制到聲域。例如，對于“綠色”波長梳對，平均綠色將被目標分子吸收，并產生一個獨特的音調，其頻率等于兩個“綠色”光頻率之間的差。如果麥克風在綠色的聲頻處接收到信號，可以看到這個頻率處的光譜峰值。基于SiNimec的鎖模激光器示意圖，由imec-ughent光子學研究組設計。來源:IMEC最近，Imec與光子學研究小組(UGhent的一個Imec研究小組)共同創造了一種鎖模激光器，這是產生雙梳的最受歡迎的光源，可以集成在芯片上(圖5)(Hermans,2021)。片上集成打開了小型化、穩定和低成本激光光源的前景。目前在硅平臺上的演示表明，由于相對較高的波導損耗和平臺的溫度靈敏度，在脈沖能量、噪聲和穩定性方面的性能有限。Imec公司的集成鎖模激光器是在氮化硅(SiN)上制造的。SiN是主要的光子集成平臺之一，與硅等材料相比，它具有非常低的波導損耗和低溫靈敏度。該結果是邁向高脈沖能量、低噪聲、芯片上鎖模激光器的第一步，imec正在研究這種激光器作為雙梳PA光譜學的候選者。光源的光譜“雙梳激光是光源中的勞斯萊斯，但并不是所有的應用都需要這樣一個奇特的光源，”XavierRottenberg解釋說。“例如，二氧化碳在4.3μm波長處有一個很大的吸收峰，用一個簡單的黑體輻射器就可以探測到，它可以發出一個寬帶的、連續的光譜。二氧化碳傳感是一個例外;對于類似組件的復雜傳感，一個好的光譜儀仍然需要一個好的光譜帶寬較窄的光源，如量子級聯激光器陣列或雙梳子激光器。除了這些高端光源，imec還在研究基于led(發光二極管)的中端光源。無論是成像還是光譜學方面，led都是令人感興趣的候選產品，因為它們成本低、耐用且易于使用。另一方面，led的挑戰在于，它們不能像雙梳狀激光器那樣立刻產生光譜。通過組合2到6個led，已經可以獲得一個粗略的光譜。雖然分辨吸收峰將是困難的，但與背景的相關性和其他處理技術是可能的。目前imec的工作主要集中在可見范圍內的一組led芯片上。”光聲學實現了生物醫學應用中的無創、高分辨率傳感。來源:IMEC應用程序空間PAI和PAS作為一種新的、無創的生物醫學應用技術，填補了現有模式之間的空白(圖6)。PAI特別適合用于血管和氧飽和度的成像，因為血紅蛋白(紅血球中的載氧成分)具有強烈的PA信號。因此，對于常表現為新生血管的腫瘤的診斷是PAI潛在的應用領域。PAS可用于檢測血液中的生物標志物，如皮質醇，或用于呼吸分析。然而，圣杯是對糖尿病患者至關重要的無創血糖檢測。這是一個具有挑戰性的應用，因為人體皮膚不同，葡萄糖信號往往很弱，皮膚的變化取決于環境。一旦你有了一個強大的葡萄糖傳感器，你也可以了解葡萄糖代謝和濃度的變化，因為當葡萄糖濃度越高，信號就會越強。最重要的是，刺手指將成為過去，”XavierRottenberg總結道。來源：High-pulse-energyIII-V-on-silicon-nitridemode-lockedlaser,APLPhotonics(2021).DOI:10.10635.0058022，Sensitive,small,broadbandandscalableoptomechanicalultrasoundsensorinsiliconphotonics,NaturePhotonics(2021).DOI:10.1038s41566-021-00776-0 關鍵字標籤：防偽雷射標籤 |
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