Optical Detection for Non-Contact Photoacoustic Imaging and Its Applications

Abstract

Photoacoustic imaging is an imaging technique based on photoacoustic effects. The photoacoustic effect refers to a phenomenon in which a light-absorbing molecule known as chromophores in a sample absorbs the energy of light to generate sound waves when light is irradiated onto the sample. As an example of using this principle, the biomedical field is used to image the distribution of chromophores (e.g. blood vessels, melanin, cancer, etc.) inside the body. The photoacoustic technique uses ultrasonic waves and light to obtain the distribution of the chromophores inside the sample in high contrast. Unlike imaging techniques that use ionized light such as x-ray, gamma-ray, this technique uses a non-ionized light source, so it is harmless to the human body. In addition, although pure optical imaging techniques provide high resolution, the spatial resolution decreases significantly with depth by light scattering in the soft tissues of the human body (~ 2 mm or less), on the other hand, since the scattering of the ultrasonic waves is about 2 to 3 times weaker than the optical scattering in biological tissue, it can provide higher spatial resolution than pure optical imaging techniques. Besides, selective molecular imaging by light absorption spectrum is possible, and it is a fusion type technology that has the advantage of replacing and complementing existing imaging technology (e.g. ultrasound imaging, optical tomography, fluorescence imaging, etc.). In general, a photoacoustic imaging system is composed of three parts. First, (1) an excitation laser for generating a photoacoustic signal, second, (2) an ultrasonic detector for measuring the generated photoacoustic signal, and third, (3) a signal processing and image reconstruction unit. Ultrasonic detectors, usually composed of opaque piezo-electric materials, apply an impedance-matching gel between the sample and the ultrasonic detector to effectively measure the ultrasonic waves from the sample, or soak the sample and the ultrasonic detector in the same medium to measure the generated ultrasound. However, such contact photoacoustic techniques can lead to physical deformation and contamination through contact with the sample and can lead to discomfort and secondary infection in patients in clinical applications. In particular, this methodology is limited to the area of the human body where direct contact is limited such as open organs or brain, eyeballs, skin burns, etc. In addition, by using an opaque measuring device, it is difficult to use in combination with other pure optical imaging techniques (e.g. optical tomography technique, fluorescence imaging, etc.) and therapeutic equipment. Therefore, in this thesis, we propose a non-contact photoacoustic imaging system using 3×3 fiber-optic coupler-based optical interferometer, which complements the shortcomings of the contact measurement method and proposes its application. The paper consists of six parts. Firstly, (1) the necessity of the proposed research is mentioned, and second, (2) the principles, types and imaging methods of photoacoustic imaging techniques are briefly introduced. Third, (3) we introduce a non-contact optical acoustic imaging technique using the optical quadrature detection method and principle of a non-contact optical acoustic signal measurement. Fourth, (4) we present the characteristics of the 3×3 coupler and the method for accurate optical quadrature detection. Fifth, (5) we introduce a method for applying non-contact photoacoustic imaging to endoscopy. Finally, (6) summarize the contents of the entire paper and comment on future research directions. The suggested optical fiber-optic coupler-based photoacoustic imaging system is possible to measure ultrasound waves with a non-contact manner, solves the shortcomings of the contact type measurement. It is expected to be applied to various medical diagnostic fields through optimization of the developed system in the future, and also it is expected to be spotlighted in the endoscope and cardiovascular imaging fields, where it is difficult to obtain tomographic information of samples.|광음향 영상 기술은 광 음향 효과에 기반한 영상화 기술이다. 광음향 효과란 빛이 시료에 조사될 때, 시료 내의 광흡수체가 빛의 에너지를 흡수하여 음파를 생성하는 현상을 의미한다. 이러한 원리를 이용한 예로 의생명 분야에서는 신체 내부의 광흡수체의 분포 (e.g. 혈관, 멜라닌, 암 등)을 영상화 하는데 사용하고 있다. 광음향 기술은 초음파와 빛을 이용하여 시료 내부의 광흡수체의 분포를 고대비 해상도로 얻을 수 있다. 이 기술은 비 이온화 광원을 사용하므로, 이온화 광원 (e.g. x-ray, gamma ray)을 사용하는 이미지 기법과는 다르게 인체에 무해하다. 또한, 순수한 광학 영상 기법은 높은 해상도를 제공함에도 불구하고, 인체의 연조직에서의 빛의 산란에 의해 깊이에 따라 공간 해상도를 상당히 저하시키는 반면에 (~ 2 mm 이하), 초음파의 산란은 생물학적 조직에서 광학 산란보다 약 2~3배 더 약하기 때문에 순수한 광학 영상 기법보다 높은 공간 해상도를 제공할 수 있다. 더불어, 광 흡수 스펙트럼에 의한 선택적인 분자영상화가 가능하여 기존 영상기술 (e.g. 초음파 영상술, 광단층촬영기법, 형광 영상술 등)을 대체 및 보완할 수 있는 장점을 가진 융합형기술이다. 일반적으로 광음향 영상 시스템은 크게 3가지 요소로 구성된다. (1) 광음향 신호를 발생시키기 위한 여기 레이저, (2) 발생된 광음향 신호를 측정하기 위한 초음파 검출기, 그리고 (3) 신호처리 및 영상 구현 유닛으로 나누어진다. 대게 불투명한 압점 물질 (piezo-electric material)로 구성된 초음파 검출기는 시료 로부터 발생하는 초음파를 효과적으로 측정하기 위해 시료와 초음파 검출기 사이에 임피던스 매칭 젤을 도포하거나, 시료와 초음파 검출기를 동일한 매질에 담궈 시료 로부터 발생된 초음파를 측정한다. 그러나 이러한 접촉식 광음향 측정기법은 시료와 접촉을 통하여 물리적인 형태의 변형을 야기하며, 오염을 일으킬 수 있으므로, 임상 적용 시 환자에게 불편함과 2차 감염을 가지고 올 수 있다. 특히, 직접적인 접촉이 제한되는 인체 부위 (개복된 장기 기관이나 뇌, 안구, 피부 화상 등)에 적용이 제한 된다. 또한, 불투명한 측정기를 사용함으로써, 다른 순수 광학 영상 기법 (광단층촬영기법, 형광 영상술 등) 및 치료기기와의 복합적인 사용이 어렵다. 따라서 본 논문에서는 접촉식 측정 방법의 단점을 보완한 3×3 광섬유 커플러 기반의 광학 간섭계를 사용하여 비접촉 광음향 영상 시스템의 개발과 이에 대한 응용기술을 제안하고자 한다. 본 논문의 구성은 6 개의 파트로 구성된다. 첫째로 (1) 제안한 연구의 필요성을 언급하고, 둘째로 (2) 광음향 영상 기술의 원리와 종류, 영상화 방법에 대해 간략하게 소개한다. 이어서 셋째로 (3) 본 논문에서 제안하는 광학 직교 검출법을 이용한 비접촉 광음향 영상 기법에 대한 소개, 비접촉 광음향 신호 측정 원리에 대해 소개한다. 넷째 (4), 제안된 시스템의 기반이 되는 3×3 광섬유 커플러의 특성과 정교한 광학 직교 검출을 위한 방법을 제시하고, 다섯째로 (5) 비접촉 광음향 영상 기법을 내시경술에 적용하기 위한 방법을 소개한다. 마지막으로 (6) 전체 논문 내용을 요약하고 향후 연구방향에 대해 언급한다. 본 연구를 통해 개발된 광섬유 기반의 광음향 영상시스템은 비접촉 측정 방식의 영상 구현이 가능하여 접촉 측정방식에서 가지는 단점을 해결하였다. 앞으로 개발된 시스템의 최적화를 통해 다양한 의료진단 분야에 적용될 것으로 기대되며, 특히 시료의 단층 정보를 얻기 어려웠던 내시경 및 심혈관 영상 분야에서 각광 받을 것으로 전망된다.