Tomografia optoacústica multiplexada por comprimento de onda de frequência

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4448 (2022) Citar este artigo

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A optoacústica (OA) é amplamente implementada no domínio do tempo (TD) para alcançar altas relações sinal-ruído, maximizando o transiente de energia luminosa de excitação. Implementações no Domínio da Frequência (FD) têm sido propostas, mas sofrem com baixas relações sinal-ruído e não oferecem vantagens competitivas em relação aos métodos no domínio do tempo para alcançar alta disseminação. Portanto, acredita-se que o TD é a maneira ideal de realizar a optoacústica. Aqui introduzimos um conceito optoacústico baseado em iluminação de trem de pulso e multiplexação no domínio da frequência e demonstramos teoricamente os méritos superiores da abordagem em comparação com o domínio do tempo. Em seguida, usando avanços recentes na iluminação de diodo laser, lançamos a tomografia optoacústica de multiplexação de comprimento de onda de frequência (FWMOT), em vários comprimentos de onda, e mostramos experimentalmente como o FWMOT otimiza as relações sinal-ruído de medições espectrais em métodos de domínio de tempo em fantasmas e em vivo. Além disso, descobrimos que o FWMOT oferece a operação multiespectral mais rápida já demonstrada em optoacústica.

A geração de sinais optoacústicos (OA) requer iluminação da amostra com transientes de energia (por exemplo, iluminação pulsada ou senoidal)1. A amostra absorve esta energia variável no tempo e subsequentemente gera uma onda acústica através da expansão termoelástica2. As implementações de domínio de tempo (TD) OA oferecem grandes transientes de energia por meio de pulsos de luz com duração de nanossegundos3,4,5,6, a fim de satisfazer os limites de confinamento térmico e de estresse necessários para geração de sinal optoacústico7. Um pulso de duração de nanossegundos também maximiza o transiente de energia e otimiza a relação sinal-ruído (SNR), tornando assim o TD o domínio de escolha em optoacústica8,9,10. A imagem optoacústica TD registra o tempo de voo das ondas de ultrassom (US) geradas em vários locais na superfície do objeto interrogado por meio de um transdutor de ultrassom sensível e, usando inversão matemática, converte essas medições em mapas tridimensionais de absorção óptica11.

Outras modalidades de imagem, como tomografia de coerência óptica (OCT) ou ressonância magnética (MRI), foram originalmente demonstradas no TD, mas se beneficiaram, em termos de velocidade de imagem e SNR, da operação de comutação para o domínio de frequência (DF)12,13 . A optoacústica no Domínio da Frequência (DF) também tem sido considerada uma alternativa ao DT, por modular a intensidade da iluminação em uma frequência discreta e detectar os sinais OA gerados na mesma frequência14,15,16. A detecção do sinal é realizada com técnicas de demodulação que recuperam a amplitude e a fase do sinal OA, uma tecnologia mais simples e econômica do que registrar sinais de tempo em taxas de amostragem de dezenas de MHz, como é comum na detecção de TD. O FD também pode permitir a iluminação simultânea em vários comprimentos de onda, modulando fontes de cores diferentes em diferentes frequências17,18,19. Apesar dessas vantagens, a luz de intensidade modulada14,15,16 fornece transientes de energia e correspondentes sinais optoacústicos que chegam a ser seis ordens de grandeza19 mais fracos que os pulsos ultracurtos usados ​​em TD, reduzindo drasticamente a SNR no DF20,21,22. Além disso, as investigações optoacústicas em uma única frequência falham em coletar informações de profundidade ou levar a imagens tridimensionais. Recentemente, mostramos23 que informações de profundidade e reconstrução de imagens tridimensionais requerem a geração de sinais em múltiplas frequências discretas, uma exigência que leva a esquemas complexos de emissão (modulação) e detecção (demodulação)23,24. Portanto, apesar das potenciais vantagens sobre o TD17,18,19,23,24, o FD teve pouco impacto no campo da optoacústica. O chirp de frequência também foi investigado como um método híbrido de TD-FD, modulando a luz em uma frequência continuamente variável17,25, codificando assim o tempo em frequência. A detecção é realizada no TD usando técnicas de correlação de tempo. Semelhante aos métodos FD, no entanto, o uso de ondas senoidais limita o SNR alcançado, restringindo o uso de abordagens chirp para investigações experimentais.