非接触式光声成像：基于硅基光电子激光多普勒振动仪的应用

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引言
光声成像(Photoacoustic Imaging, PAI)已成为多种生物医学应用的强大非侵入性成像技术，包括癌症检测、血管成像和功能性脑成像。本文将介绍PAI中一种创新方法，该方法结合了基于硅基光电子的激光多普勒振动仪(Laser Doppler Vibrometer，LDV)和紧凑型脉冲激光二极管，用于非接触式超声波检测。

传统PAI系统通常依赖于接触式超声波探测器，这可能在生物医学应用中引入污染风险。我们将重点关注新型方法，该方法利用硅基光电子的优势创建紧凑、非接触式检测系统。本文将简介该系统的关键组件、工作原理以及在实验设置中取得的结果[1]。

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6 k& ^. \+ P0 _: \! v系统组件和工作原理
+ x9 \! ?' G: i' J1. 基于硅基光电子的激光多普勒振动仪
3 p. a+ q! ]8 |- q6 j' |& B非接触式PAI系统的核心是基于硅基光电子的LDV。该器件使用集成光学来检测样品表面由光声波引起的微小振动。LDV基于光学干涉原理工作，其中激光束被分为参考光路和测量光路。
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1 \! J1 ^; b/ z' \. F+ I1 y图1展示了片上LDV的示意图。光线通过光栅耦合器进入芯片，并分为参考臂和测量臂。测量光束通过发射/接收光栅耦合器朝向样品。从样品表面反射后，测量光与参考光在90度光学混合器中组合。然后，光电探测器检测这种干涉模式，从而精确测量表面振动。

2. 用于激发的脉冲激光二极管
9 x6 g+ \% s. j, I% ?该系统采用紧凑型脉冲激光二极管进行光声激发，而不是使用体积大且昂贵的高功率激光器。激光二极管工作在905 nm波长，产生脉冲持续时间在100到500 ns之间，峰值光功率为500 W的光脉冲。
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图2显示了连接到脉冲激光驱动器的905 nm激光二极管，紧凑的激发源显著提高了整个系统的便携性和成本效益。
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# o2 Y, O- x. x, e3 s+ U5 O. H3. 样品制备
( p; q' _6 V/ h为了实验目的，使用了具有嵌入式墨水溶液填充通道的硅胶样品。这些样品模拟了生物组织的声学特性，同时提供了可控的测试环境。

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图3显示了带有墨水填充嵌入式通道的透明硅胶样品及其横截面。这些样品允许精确控制光声源的吸收特性和几何形状。

* H* k% f2 ]5 S3 b$ x# z  d: C0 w实验设置和信号处理
6 H$ Q% n% l/ }, e+ q- H实验设置将基于硅基光电子的LDV用于检测，脉冲激光二极管用于激发。样品放置在这两个组件之间，LDV探测光束朝向样品表面，激发激光照射嵌入式通道。

信号处理步骤：

解调：对LDV的原始信号进行解调，提取相位信息，对应于表面位移。

平均：对多次测量进行平均，以提高信噪比。

滤波：应用低通滤波器限制噪声，同时保留光声信号的相关频率内容。

时间反演重建：使用二维时间反演算法重建样品内的初始压力分布，创建最终的光声图像。
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性能特征
+ y" E7 L9 p4 T) z1 W( |) Z; k基于硅基光电子的LDV展示了令人印象深刻的性能特征：
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噪声底：在测量平坦、镜面反射表面时，与商业LDV系统相当或更好。

带宽：约3.5 MHz，适用于许多生物医学成像应用。

灵敏度：如原文图2e所示，在约3 MHz以下保持相对恒定。


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. F3 s2 E! c; C2 V" y图4上图比较了片上LDV与poly-tec的噪声底，而下图展示了基于芯片的LDV的灵敏度谱。
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" q7 a9 d8 ]$ p! D, P, l实验结果
1. 单通道成像
该系统成功检测到硅胶样品中单个嵌入通道的光声信号。通过扫描样品表面的LDV光束，实现了通道的二维重建。
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! {7 S! S" o$ H9 E0 |6 Z% q图5(a) 记录和解调的光声信号的时间轨迹及其通过希尔伯特变换计算的包络，(b) 沿着探测光束在图(c)所示样品表面扫描方向的不同位置的光声信号图，(d) 使用(b)中的数据对(c)进行时间反演重建，(e) 中心位于不同深度（5.8、7和9.6毫米）的通道的重建图像，(f) 双通道样品（如g所示）的扫描数据，(h) 双通道样品的时间反演重建。本图中所有通道的直径均为2毫米。
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; c* S' V4 m. l* ^# i8 L% G/ U2. 双通道成像
; s% W" v8 q- s; C该系统还展示了对具有两个嵌入通道的样品进行成像的能力，展示了更复杂结构的潜力。

3. 吸收依赖性
研究了系统对不同墨水浓度的灵敏度，展示了其在不同吸收系数范围内检测光声信号的能力。
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图6(a) 样品内不同墨水浓度下，光声激发后记录的表面速度的信号时间轨迹。增加浓度会导致更强的信号。0.1%墨水溶液在905 nm波长下测得的吸收率为12.5 cm?1，(b, c, d) 显示不同墨水浓度的图像重建，较低浓度显示出降低的对比度，(e) 不同浓度的信噪比。
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3 C& s2 b; G7 \, E挑战和未来方向
这种非接触式PAI系统显示出巨大潜力，但仍存在几个挑战：

表面散射：体内应用将需要解决由于表面粗糙度和散射导致的收集效率降低问题。

扩展：开发多光束LDV布局，消除机械扫描的需求。

激发功率：优化照明分布，可能结合多个激光二极管以改善成像深度和视场。

体内成像：使系统适应生物医学应用，包括增强生物表面反射的策略。


结论
5 B/ a4 `2 L$ x% x0 b" B1 V9 d& z2 Q本文介绍了使用基于硅基光电子激光多普勒振动仪的创新非接触式光声成像方法。通过结合集成光学的优势和紧凑型激发源，该系统为非侵入性生物医学成像开辟了新的可能性。随着这一领域研究的进展，我们可以预期系统性能、微型化和适应实际生物医学应用方面会有进一步的改进。
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8 m5 I1 l. ~' j6 V6 T1 k4 b+ x/ R硅基光电子技术与光声成像的集成代表了向更紧凑、高性价比和多功能成像系统迈出的重要一步。随着该领域的不断发展，这将为医疗保健和生物医学研究中的非侵入性诊断和监测能力的进步带来巨大机遇。

8 t! M5 X+ b- {" c参考文献
7 a( p3 i) F. U4 ^: V, ][1] E. Dieussaert, R. Baets, H. Jans, X. Rottenberg, and Y. Li, "Non-contact photoacoustic imaging with a silicon photonics-based Laser Doppler Vibrometer," Scientific Reports, vol. 14, no. 1, p. 22953, Oct. 2024, doi: 10.1038/s41598-024-74266-y.

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