El efecto Doppler fotoacústico , como su nombre lo indica, es un tipo específico de efecto Doppler , que ocurre cuando una onda de luz intensamente modulada induce una onda fotoacústica en partículas en movimiento con una frecuencia específica . El cambio de frecuencia observado es un buen indicador de la velocidad de las partículas en movimiento iluminadas. Una posible aplicación biomédica es la medición del flujo sanguíneo.
Específicamente, cuando se ejerce una onda de luz de intensidad modulada en un medio localizado, el calor resultante puede inducir un cambio de presión alterno y localizado. Este cambio de presión periódico genera una onda acústica con una frecuencia específica. Entre varios factores que determinan esta frecuencia, la velocidad del área calentada y, por lo tanto, las partículas en movimiento en esta área pueden inducir un cambio de frecuencia proporcional al movimiento relativo. Por tanto, desde la perspectiva de un observador, el cambio de frecuencia observado se puede utilizar para derivar la velocidad de las partículas en movimiento iluminadas. [1]
Teoría
Para ser simple, considere primero un medio claro. El medio contiene pequeños absorbedores ópticos que se mueven con un vector de velocidad.. Los absorbentes son irradiados por un láser con intensidad modulada en frecuencia.. Por tanto, la intensidad del láser podría describirse mediante:
Cuándo es cero, una onda acústica con la misma frecuenciaa medida que se induce la onda de intensidad de la luz. De lo contrario, hay un cambio de frecuencia en la onda acústica inducida. La magnitud del cambio de frecuencia depende de la velocidad relativa, el ángulo entre la velocidad y la dirección de propagación de la onda de densidad de fotones, y el ángulo entre la velocidad y la dirección de propagación de la onda ultrasónica. El cambio de frecuencia viene dado por:
Dónde es la velocidad de la luz en el medio y es la velocidad del sonido. El primer término en el lado derecho de la expresión representa el cambio de frecuencia en la onda de densidad de fotones observado por el absorbente que actúa como un receptor en movimiento. El segundo término representa el cambio de frecuencia en la onda fotoacústica debido al movimiento de los absorbentes observado por el transductor ultrasónico . [2]
En la práctica, desde y , solo el segundo término es detectable. Por lo tanto, la ecuación anterior se reduce a:
En esta aproximación, el cambio de frecuencia no se ve afectado por la dirección de la radiación óptica. Solo se ve afectado por la magnitud de la velocidad y el ángulo entre la velocidad y la dirección de propagación de la onda acústica. [2]
Esta ecuación también es válida para un medio de dispersión. En este caso, la onda de densidad de fotones se vuelve difusa debido a la dispersión de la luz. Aunque la onda de densidad de fotones difusivos tiene una velocidad de fase más lenta que la velocidad de la luz, su longitud de onda sigue siendo mucho más larga que la onda acústica. [3]
Experimentar
En la primera demostración del efecto Fotoacústico Doppler, se utilizó un láser de diodo de onda continua en una configuración de microscopía fotoacústica con un transductor ultrasónico como detector. La muestra era una solución de partículas absorbentes que se movían a través de un tubo. El tubo estaba en un baño de agua que contenía partículas dispersas [2]
La Figura 2 muestra una relación entre la velocidad de flujo promedio y el cambio de frecuencia del Doppler fotoacústico experimental. En un medio de dispersión, como el fantasma experimental, llegan a los absorbentes menos fotones que en un medio ópticamente transparente. Esto afecta la intensidad de la señal pero no la magnitud del cambio de frecuencia. Otra característica demostrada de esta técnica es que es capaz de medir la dirección del flujo en relación con el detector basándose en el signo del cambio de frecuencia. [2] El caudal mínimo detectado informado es de 0,027 mm / s en el medio de dispersión. [3]
Solicitud
Una aplicación prometedora es la medición no invasiva de flujo. Esto está relacionado con un problema importante en medicina: la medición del flujo sanguíneo a través de arterias , capilares y venas . [3] Medir la velocidad de la sangre en los capilares es un componente importante para determinar clínicamente la cantidad de oxígeno que se administra a los tejidos y es potencialmente importante para el diagnóstico de una variedad de enfermedades, incluidas la diabetes y el cáncer . Sin embargo, una dificultad particular para medir la velocidad del flujo en los capilares es causada por la baja tasa de flujo sanguíneo y el diámetro de la escala micrométrica. Las imágenes basadas en el efecto fotoacústico Doppler son un método prometedor para la medición del flujo sanguíneo en los capilares.
Técnicas existentes
Basándose en el ultrasonido o la luz, actualmente se utilizan varias técnicas para medir la velocidad de la sangre en un entorno clínico u otros tipos de velocidades de flujo.
Ultrasonido Doppler
La técnica de ultrasonido Doppler utiliza cambios de frecuencia Doppler en la onda de ultrasonido. Esta técnica se utiliza actualmente en biomedicina para medir el flujo sanguíneo en arterias y venas . Está limitado a caudales altos (cm / s) que se encuentran generalmente en vasos grandes debido a la alta señal de ultrasonido de fondo del tejido biológico. [3]
Flujometría láser Doppler
La flujometría láser Doppler utiliza luz en lugar de ultrasonido para detectar la velocidad del flujo. La longitud de onda óptica mucho más corta significa que esta tecnología es capaz de detectar velocidades de flujo bajas fuera del rango del ultrasonido Doppler . Pero esta técnica está limitada por un ruido de fondo alto y una señal baja debido a la dispersión múltiple . La flujometría láser Doppler solo puede medir la velocidad sanguínea promedio dentro de 1 mm 3 sin información sobre la dirección del flujo. [3] La obtención de imágenes con láser Doppler de banda ancha mediante holografía digital con una cámara de alta velocidad puede superar algunas de las limitaciones de la flujometría láser Doppler y lograr mediciones del flujo sanguíneo en vasos superficiales con mayor resolución espacial y temporal.
Tomografía de coherencia óptica Doppler
La tomografía de coherencia óptica Doppler es una técnica de medición de flujo óptico que mejora la resolución espacial de la flujometría láser Doppler al rechazar la luz de dispersión múltiple con compuerta coherente. Esta técnica es capaz de detectar velocidades de flujo tan bajas comom / s con la resolución espacial de metro. La profundidad de detección suele estar limitada por el alto coeficiente de dispersión óptica del tejido biológico amm. [3]
Flujometría fotoacústica Doppler
El efecto fotoacústico Doppler se puede utilizar para medir la velocidad del flujo sanguíneo con las ventajas de la imagen fotoacústica . Las imágenes fotoacústicas combinan la resolución espacial de las imágenes de ultrasonido con el contraste de la absorción óptica en el tejido biológico profundo. [1] El ultrasonido tiene una buena resolución espacial en tejido biológico profundo ya que la dispersión ultrasónica es mucho más débil que la dispersión óptica, pero es insensible a las propiedades bioquímicas. Por el contrario, las imágenes ópticas pueden lograr un alto contraste en el tejido biológico a través de una alta sensibilidad a los absorbentes ópticos moleculares pequeños, como la hemoglobina que se encuentra en los glóbulos rojos , pero su resolución espacial se ve comprometida por la fuerte dispersión de luz en el tejido biológico. Al combinar la imagen óptica con el ultrasonido, es posible lograr un alto contraste y una resolución espacial. [1]
La flujometría fotoacústica Doppler podría utilizar el poder de la fotoacústica para medir velocidades de flujo que generalmente son inaccesibles a las técnicas de ultrasonido o basadas en luz pura. La alta resolución espacial podría permitir identificar solo unas pocas partículas absorbentes localizadas en un solo capilar. El alto contraste de los absorbentes ópticos fuertes hace posible resolver claramente la señal de los absorbentes sobre el fondo.
Ver también
- Espectroscopía fotoacústica
- Imagen fotoacústica en biomedicina
- Tomografía fotoacústica
- efecto Doppler
- imagenología láser Doppler
- Tomografía de coherencia óptica Doppler
Referencias
- ↑ a b c LV Wang y HI Wu (2007). Óptica biomédica: principios e imágenes . Wiley. ISBN 978-0-471-74304-0.
- ^ a b c d e f g h H. Fang, K. Maslov, LV Wang. "Efecto fotoacústico Doppler por el flujo de pequeñas partículas absorbentes de luz". Cartas de revisión física 99, 184501 (2007)
- ^ a b c d e f g h H. Fang, K. Maslov, LV Wang. "Medición de flujo fotoacústico Doppler en medios de dispersión óptica". Cartas de Física Aplicada 91 (2007) 264103