Development of a novel fiber laser based backward-mode photoacoustic microscopy system and ımage characterization

Abstract

İyonize ışın kullanmayan optik görüntüleme yöntemleri, sağlık endişelerindendolayı diğer görüntüleme yöntemlerinin arasında popülerleşmeye başlamıştır. Ancak,salt optik methodların, ışığın saçılmasından dolayı derin doku görüntülemede eksikliklerivardır. Fotoakustik görüntüleme ise bir yandan optik kontrastdan faydalanırkendiğer yandan derin doku görüntülemede ultrasonun çözünürlüğüne ulaşması sebebiylegelecek vaadeden bir yöntemdir. Fotoakustikte kullanılan lazerin atım süresi, atım sıklığı,ışın genisliği ve çıkıs gücü gibi özellikleri olusan sinyalin genliğinde, elde edilengörüntünün kalitesinde ölçülebilir etkilere sahiptir. Literatürde, mikroskopik ölçektefotoakustik görüntülemede Q-anahtarlı lazerler, katı hal lazerleri ve fiber lazerler kullanılmaktadır. Kullanılan lazerlerin çoğu halihazırda piyasada bulunan ve özellikleri birbirindenbağımsız değiştirilemeyen lazerlerdir. Bizler bu çalışmada, özgün, tüm-fiberli mod-kilitlive tamamen fotoakustik microskop gerekliliklerine göre tasarlanmış bir lazersunuyoruz. Lazerin atım süresi 1 ile 3 ns arasında ayarlanabiliyorken atım sıklığıda 50 kHz ile 3.1 MHz arasında dijital olarak ayarlanabilmektedir. Tüm optik olaylarınfiberlerin içerisinde gerçekleşmesi, lazerin mekanik etkilere direncini arttırmaktave kararlı bir yapıda olmasını sağlamaktadır. Lazerin çıkısında kullanılan fotonik kristalfiber sayesinde 600 nm ile 1100 nm arasında sürekli ışın tayfı elde edilmektedir.Bu özgün çalışmada lazer özelliklerinin fotoakustik sinyalleri nasıl etkilediğini analitikolarak göstermekteyiz. Ürettiğimiz mikroskopi sistemini, at kıllarından oluşturulanfantomlar üzerinde deneyerek 500 um noktasal yayılım fonksiyonu genişliğine sahipgörüntüler oluşturduk.

Among all other imaging modalities, optical methods using non-ionizing radiation became popular due to safety concerns. However, pure optical methods have severe limitations for deep tissue imaging. On the other hand, photoacoustic imaging is a promising imaging modality for in vivo tissue monitoring due to its high optical contrast and high ultrasonic resolution. The parameters of the laser used in photoacoustics, namely pulse duration, pulse repetition frequency, beamwidth and output power has a quantifiable impact on signal amplitude, imaging speed and resolution. In literature, Q-switched lasers, solid state lasers and fiber lasers are used for the microscopic scale of photoacoustic imaging. Most of the lasers used in photoacoustic studies has a fixed capacity and key parameters cannot be adjusted independently. In this study, we report a novel all-fiber mode-locked laser with adjustable pulse duration between 1 - 3 ns and selectable pulse repetition frequency between 50 kHz and 3.1 MHz. All fiber integration makes our laser resistant to vibrational disturbances, yet increases its stability. Additionally, we utilized a photonic crystal fiber at the outputstage of the laser to generate a supercontinuum of a wavelength range of 600 - 1100 nm. We analytically reveal laser parameter dependencies of photoacoustic signals. We test our microscopy system with a phantom made of horse hair, and present resultant images with point spread function of width 500 um.