Photoacoustic Tomography System

J. D. Martínez–Ramírez¹, R. Quispe–Siccha², C. García–Segundo³, F. J. González⁴, R. Espinosa–Luna⁵, G. Gutiérrez–Juárez*⁶

^1,4 Instituto de Investigación en Comunicación Óptica, UASLP. Av. Karakorum, 1470 Lomas 4a. 78210 San Luis Potosí, SLP México.

^2,3 Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico de la UNAM. Circuito Exterior S/N C.P. 04510 Cd. Universitaria, México, D. F. A. P. 70–186

⁵ Centro de Investigaciones en Óptica. Loma del Bosque 115, Lomas del Campestre, C. P.: 37150, León, Gto., México. A. P. 1–948.

⁶ División de Ciencias e Ingenierías, Universidad de Guanajuato–Campus León. Loma del Bosque 103, Lomas del Campestre, C. P.: 37150, León, Gto., México. A. P.: E–143. * ggutj@fisica.ugto.mx

ABSTRACT

Based on the pulsed photoacoustic effect, we set up an experimental system to obtain bi–dimensional images of optically–opaque samples embedded within the bulk of turbid medium. The turbid medium was made of agar gel mixed with single–sized nanoparticles; with these materials we induce an optical absorption and an optical scattering like that appearing in human tissues. The PA signals are generated from the absorption processes in the buried target, and then traveling through the bulk of scatter medium. The optical absorption properties and the shape of target, defines the amplitude and shape of the PA signals. This time the laser pulses are set from a pulsed Nd: YAG laser, with pulse width of 10 ns, at rate repetition of 10 Hz and wavelength set at 1064 nm. The signals generated in this way are registered by means of an ultrasonic transducer with resonance cut at 10 MHz. The sample was rotated to obtain as many as 36 projections which are used to feed an image reconstruction forward–projection algorithm based on the Radon Transform. As result we obtain 2D tomographic slices of three different samples.

Keywords: Photoacoustic imaging, radon transform, tomography.

RESUMEN

Basados en el efecto fotoacústico pulsado, se desarrolló un dispositivo experimental para generar imágenes bidimensionales de muestras ópticamente opacas ocultas en un medio turbio. El medio turbio se hizo de agar y nanopartículas monodispersas, con estos materiales indujimos una absorción y esparcimiento óptico semejante al de los tejidos humanos. La señal PA se genera por la absorción óptica de la muestra; una vez producida viaja a través del medio esparsor. Las propiedades de ópticas de la muestra así como la forma de éste definen la amplitud y forma de la señal PA. En el sistema fotoacústico se utilizaron pulsos láser de Nd: YAG de 10 ns, con frecuencia de repetición de 10Hz, y longitud de onda de 1064 nm. Las señales generadas fueron registradas por un transductor ultrasónico con frecuencia de corte de 10 MHz. Tanto la muestra como el medio esparsor se rotaron para obtener 36 proyecciones, las cuales fueron utilizadas para alimentar un algoritmo de reconstrucción de imágenes basado en la transformada de Radon. Como resultado se obtuvieron imágenes tomográficas 2D de tres muestras distintas.

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References

[1] Minghua X. and Lihong V. W., Photoacoustic Imaging in biomedicine. Rev. Sci. Intrum. Vol. 77, No. 4, April, 2006, pp. 041101–041122.         [ Links ]

[2] Ermilov S. A., Khamapirad T., Conjusteau A., Leonard M. H., Lacewell R., Mehta K., Miller T., and Oraevsky A. A., Laser Optoacoustic Imaging System for Detection of Breast Cancer, J. Biomed. Opt. Vol. 14, No. 2, March/April, 2009, pp. 024007–024012.         [ Links ]

[3] Ashkenazi S., Hou Y., Huang S., Buma T., and O'Donnell M., High Frequency Optoacoustic Transducers for Ultrasonic and Photoacoustic Imaging (CRC Press, 2009)        [ Links ]

[4] Burgholzer P., Hofer C., Paltauf G., Haltmeier M., and Scherzer O., Thermoacoustic tomography with integrating area and line detectors, IEEE Trans. Ultrason.         [ Links ]

[5] Haltmeier M., Scherzer O., Burgholzer P., Nuster R., and Paltauf G., Thermoacoustic tomography and the circular Radon transform: Exact inversion formula, Math. Models Meth. Appl. Sci. Vol. 17, No. 4, April, 2007 pp. 635–655.         [ Links ]

[6] Paltauf G., Nuster R., Haltmeier M., and Burgholzer P., Experimental evaluation of reconstruction algorithms for limited view photoacoustic tomography with line detectors, Inverse Probl. Vol. 23 No. 6, December, 2007, pp S81–S94.         [ Links ]

[7] Duck FA (1990) Physical Properties of Tissue: a Comprehensive Reference Book. Academic Press Inc., San Diego        [ Links ]

[8] Markolf H. N., Laser–Tissue Interactions Fundamentals and Applications, Third, Enlarged Edition, Springer–Verlag, 2007, Berlin, Heidelberg.         [ Links ]

[9] The Radon Transform by Carsten Høilund, Aalborg. Univeristy, VGIS, 07gr721, Nov 2007.         [ Links ]

[10] Wenfeng Xia, Daniele Piras, Michelle Heijblom, Wiendelt Steenbergen, Ton G.van Leeuwen, and Srirang Manohar, Poly(vinyl alcohol) gels as photoacoustic breast phantoms J. Biomed. Opt. Vol 16, No 7, Jul, 2011, pp–07–002        [ Links ]

Acknowledgments

This work is supported by CONACyT–Mexico grant 8394–and by Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito Federal, Mexico, through a grant contracted with CCADET–UNAM.