기존의 광학 영상 기법은 산란이 심한 생체 조직에서 고해상도 영상을 얻는 데 한계가 있기 때문에, 광음향 효과를 기반으로 하는 광음향 영상(PAI) 기술이 생의학 연구 분야에서 새로운 영상 도구로 부상하고 있습니다. PAI는 광학 영상의 높은 대비와 분광 인식 특성에 초음파 영상의 깊은 투과 깊이를 결합한 기술입니다.

광음향영상(PAI)은 짧은 펄스의 레이저 광을 대상 물체에 조사하는 기술입니다. 흡수된 빛 에너지는 국소적인 온도 상승을 유발하여 열탄성 팽창과 초음파 발생을 초래합니다. 이 초음파 신호를 검출함으로써 대상 물체의 빛 흡수 분포를 재구성하여 물체의 깊이 영상을 얻을 수 있습니다. PAI는 광음향단층촬영(PAT)과 광음향현미경(PAM)으로 분류됩니다. 이 영상 기술은 종양 신생혈관 형성, 헤모글로빈 및 산소 농도 측정, 유방암 진단, 심혈관 및 뇌혈관의 취약성 플라크 영상화 등 다양한 생의학 분야에서 유용하게 활용되고 있습니다.

Reallight의 서브나노초 마이크로칩 레이저

광음향 현미경(PAM)은 광학 영상과 초음파 영상의 장점을 결합한 기술입니다. 비침습적 영상 기법인 PAM은 최근 세포, 미세혈관, 조직 연구에 성공적으로 활용되고 있습니다. 광음향 방식을 이용하여 생체 조직을 영상화할 때, 주요 흡수체는 혈관 조직이며, 모세혈관의 최소 직경은 약 4μm입니다. 열 확산 시간은 약 0.2ms이고, 압력 확산 시간은 약 1.3ns입니다. 따라서 광 조사 단계에서 열 확산을 방지하기 위해서는 펄스 폭이 1.3ns 미만인 레이저를 사용하는 것이 매우 중요합니다. 1.5ns 미만의 짧은 펄스 폭을 가진 레이저는 광음향 영상의 해상도를 효과적으로 향상시킵니다.

광음향 현미경 영상 효과 - 마우스 귀 모세혈관 (참고문헌 [1]에서 발췌한 그림)

Reallight에서 생산하는 MC 시리즈 펨토초 마이크로칩 레이저는 1.5ns, 750ps, 350ps 등 다양한 펄스 폭을 제공하여 광음향 검출에 필요한 해상도를 충족합니다. kHz 수준의 반복률을 갖춘 이 펨토초 마이크로칩 레이저는 광음향 검출 효율을 크게 향상시켜 광음향 현미경에 최적의 선택이 될 수 있습니다.

2022년 6월, 동북대학교 친황다오 분교 공학제어학부의 마전허(Ma Zhenhe) 교수 연구팀은 'SDOCT를 이용한 스펙트럼 간섭 대비 기반 비접촉 광음향 현미경'이라는 제목의 논문을 Optics Letters에 발표했습니다. 이 논문은 광음향 현미경(PAM)과 광간섭 단층촬영(OCT) 기술을 결합한 새로운 검출 방법을 소개합니다. 연구팀은 Reallight 사에서 제공한 서브나노초 마이크로칩 레이저(MCA-532-2.5-060, 532nm, 1.5ns, 2.5kHz, 60μJ)를 사용하여 모세혈관의 선명한 이미지를 얻었습니다. 이 혁신적인 접근 방식은 광음향 이미징 기술의 해당 분야 응용 확대에 기여할 것으로 기대됩니다.

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참고 자료

Zhenhe Ma,1,2 Ning Ding,3 Zhen Li,1 Keliang Zhu,1 Ang Li,1 Zhanhong Lin,1 Yi Wang,1,2 Yuqian Zhao,1 Yao Yu,1,2 Jingmin Luan,4 Xin Zhu,5 AND Jian Liu1,2,*, SDOCT [J] Optics에서 구현한 스펙트럼 간섭 대비 기반 비접촉 광음향 현미경 편지,Vol.47,No11/1 2022년 6월