Resumen de Design and development of a multi-wavelength optoacoustic system based on high-power diode laser sources. Optoacoustic signal generation with nanoparticles for biomedical applications

Luca Leggio

• español

  Durante los últimos años, el rápido avance de las tecnologías ópticas para la obtención de imágenes biomédicas hace posible revelar importantes informaciones biológicas a partir de la interacción entre la luz y el tejido. El interés emergente en nuevas técnicas de obtención de imágenes biomédicas está motivado por la necesidad de detectar células malignas y otras enfermedades durante las etapas precoces de evolución. La limitada profundidad de penetración de la energía óptica en medios biológicos se debe principalmente al alto nivel de dispersión óptica. Además, la difusión de la luz en los tejidos biológicos limita la resolución espacial de las imágenes adquiridas. La técnica optoacústica sobresale estos problemas combinando el alto contraste de la imagen óptica con la alta resolución espacial de los sistemas de ultrasonido en los tejidos profundos. Asimismo, la baja dispersión de las ondas ultrasónicas producidas en los tejidos biológicos facilita la adquisición de imágenes de alta resolución. Dos importantes aspectos a considerar demás en las aplicaciones optoacústicas para una imagen funcional son el uso de agentes de contraste óptico para mejorar la absorción de energía óptica en aquellas áreas donde la dispersión es dominante y la cantidad de energía óptica suministrada por las fuentes láseres para penetrar en profundidad. La necesidad de fuentes láseres compactas y de bajo coste con las características requeridas por las aplicaciones optoacústicas ha impulsado los estudios presentados en esta tesis, proponiendo el uso de diodos láseres de alta potencia en lugar de los clásicos láseres de estado sólido. Generalmente, los láseres de estado sólido como el Nd:YAG y los osciladores ópticos paramétricos se utilizan para la generación de señales optoacústicas, pero su uso en el ambiente clínico está limitado por sus altos costes, bajas frecuencias de repetición y tamaños voluminosos. Por otro lado, los diodos láseres de alta potencia emergen como una potencial alternativa, debido a sus relativamente bajos costes, altas frecuencias de repetición requeridas para una rápida adquisición de imágenes y tamaños compactos. Sin embargo, la potencia de los diodos láseres de alta potencia es todavía relativamente baja en comparación con los láseres de estado sólido y por esta razón se necesita combinarlos para conseguir la cantidad de potencia óptica requerida para las aplicaciones optoacústicas. Un sistema optoacústico basado en diodos láseres de alta potencia ha sido implementado y mejorado a lo largo de los estudios presentados en esta tesis. Se han realizado experimentos optoacústicos a diferentes longitudes de onda utilizando varios tipos de absorbentes colocados en cubeta de cuarzo u hospedados dentro de un “phantom” que simula la dispersión óptica de un tejido blando. Soluciones de nanotubos de carbono, óxido de grafeno y nanoparticulas de oro se han utilizado como absorbentes a lo largo de los experimentos. Los primeros experimentos realizados en espacio libre para enfocar la luz en los absorbentes se han mejorado mediante el uso de fibras ópticas en una segunda etapa. Por último, se han propuesto barras de diodos láseres comercialmente disponibles para sustituir los diodos láseres de alta potencia con el objetivo de aumentar la potencia óptica para futuras implementaciones en los sistemas optoacústicos. Las simulaciones ópticas han demostrado la posibilidad de enfocar el haz emitido por barras de diodos láseres de diferentes longitudes de onda en fibras ópticas por medio de microlentes cilíndricas. En una segunda etapa, las barras de diodos láseres han sido ensambladas en un único sistema para simular un sistema de múltiples longitudes de onda. Los haces han sido combinados por medio de espejos dicroicos y enfocados en una fibra óptica multimodo. Este trabajo de investigación ha abierto nuevas líneas de investigación en el desarrollo de fuentes láser de alta potencia para la endoscopia optoacústica y la tomografía en aplicaciones biomédicas

• English

  Over last few years, the rapid growth of optical technologies for biomedical imaging makes possible to reveal important biological information of tissues from light-tissue interaction. The emerging interest on new biomedical imaging techniques is motivated by the necessity to detect malignant cells and other diseases at early growth stages. The limited penetration depth of optical energy in biological media is primarily due to the high level of optical scattering. In addition, the diffusion of light in biological tissues limits the spatial resolution of the images acquired. The optoacoustic technique overcomes these issues combining the high contrast of optical imaging with the high spatial resolution of ultrasound systems in deep tissues. As well, the low scattering of the ultrasound waves produced in the biological tissues facilitates the acquisition of high-resolution images.

  Two more important aspects to be considered in optoacoustic applications for a functional imaging are the use of optical contrast agents to increase the absorption of optical energy in those areas where the scattering is dominant, and the amount of optical energy delivered by laser sources to penetrate in depth. The necessity of compact and cost-effective laser sources with the characteristics required by optoacoustic applications has encouraged the studies presented in this thesis, proposing the use of high-power diode lasers instead of the classical solid state lasers.

  Generally, solid-state lasers like Nd:YAG and optical parametric oscillators are used for the generation of optoacoustic signals, but their use in clinical environment is limited by their high costs, low repetition rates and bulky sizes. On the other hand, high-power diode lasers emerge as a potential alternative, due to their relatively low costs, high repetition rates required for fast image acquisition and compact sizes. However, the power of high-power diode lasers is still relatively low compared to solid-state lasers and for this reason they need to be combined in arrays to reach the amount of the optical power required for optoacoustic applications.

  An optoacoustic setup based on small arrays of high-power diode lasers has been implemented and improved along the studies presented in this thesis. Optoacoustic experiments have been performed at different wavelengths using several kinds of absorbers hosted in a quartz cuvette or embedded within a phantom that simulates the optical scattering of a soft tissue. Solutions of carbon nanotubes, graphene oxide and gold nanorods have been used as absorbers in the experiments. The first experiments done in free space to focus the light in the absorbers have been improved by using optical fibers in a second stage.

  Lastly, some commercially available diode laser bars have been proposed to replace the high-power diode lasers with the aim to increase the optical power for future implementations in the optoacoustic systems. Optical simulations have demonstrated the possibility to focus the beam of diode laser bars operating at different wavelengths into optical fibers by means of cylindrical microlenses. In a second step, the diode laser bars have been assembled together to simulate a multi-wavelength system. The beams have been combined by dichroic mirrors and focused in a multi-mode optical fiber. This research work has opened up new lines of investigation in the development of high-power laser sources for optoacoustic endoscopy and tomography in biomedical applications.