El efecto Doppler fotoacústico es un tipo de efecto Doppler que se produce cuando una onda de luz de intensidad modulada induce una onda fotoacústica en partículas en movimiento con una frecuencia específica . El cambio de frecuencia observado es un buen indicador de la velocidad de las partículas en movimiento iluminadas. Una posible aplicación biomédica es la medición del flujo sanguíneo.
En concreto, cuando se ejerce una onda luminosa de intensidad modulada sobre un medio localizado, el calor resultante puede inducir un cambio de presión alternado y localizado. Este cambio periódico de presión genera una onda acústica con una frecuencia específica. Entre los diversos factores que determinan esta frecuencia, la velocidad de la zona calentada y, por tanto, las partículas en movimiento en esta zona pueden inducir un cambio de frecuencia proporcional al movimiento relativo. Por tanto, desde la perspectiva de un observador, el cambio de frecuencia observado se puede utilizar para derivar la velocidad de las partículas en movimiento iluminadas. [1]
Para simplificar, consideremos primero un medio transparente. El medio contiene pequeños absorbentes ópticos que se mueven con un vector de velocidad . Los absorbentes son irradiados por un láser con intensidad modulada a una frecuencia . Por lo tanto, la intensidad del láser podría describirse como:
[2]
Cuando es cero, se induce una onda acústica con la misma frecuencia que la onda de intensidad de la luz. De lo contrario, hay un cambio de frecuencia en la onda acústica inducida. La magnitud del cambio de frecuencia depende de la velocidad relativa , el ángulo entre la velocidad y la dirección de propagación de la onda de densidad de fotones, y el ángulo entre la velocidad y la dirección de propagación de la onda ultrasónica. El cambio de frecuencia viene dado por:
[2]
Donde es la velocidad de la luz en el medio y es la velocidad del sonido. El primer término del lado derecho de la expresión representa el cambio de frecuencia en la onda de densidad de fotones observada por el absorbedor que actúa como receptor en movimiento. El segundo término representa el cambio de frecuencia en la onda fotoacústica debido al movimiento de los absorbedores observado por el transductor ultrasónico . [2]
En la práctica, como y , solo se puede detectar el segundo término. Por lo tanto, la ecuación anterior se reduce a:
[2] [3]
En esta aproximación, el cambio de frecuencia no se ve afectado por la dirección de la radiación óptica, sino únicamente por la magnitud de la velocidad y el ángulo entre la velocidad y la dirección de propagación de la onda acústica. [2]
Esta ecuación también es válida para un medio de dispersión. En este caso, la onda de densidad de fotones se vuelve difusiva debido a la dispersión de la luz. Aunque la onda de densidad de fotones difusiva tiene una velocidad de fase más lenta que la velocidad de la luz, su longitud de onda sigue siendo mucho mayor que la de la onda acústica. [3]
En la primera demostración del efecto Doppler fotoacústico, se utilizó un láser de diodo de onda continua en un microscopio fotoacústico con un transductor ultrasónico como detector. La muestra era una solución de partículas absorbentes que se movían a través de un tubo. El tubo estaba en un baño de agua que contenía partículas dispersantes [2].
La figura 2 muestra una relación entre la velocidad media del flujo y el desplazamiento de frecuencia Doppler fotoacústico experimental. En un medio de dispersión, como el maniquí experimental, menos fotones llegan a los absorbentes que en un medio ópticamente transparente. Esto afecta a la intensidad de la señal, pero no a la magnitud del desplazamiento de frecuencia. Otra característica demostrada de esta técnica es que es capaz de medir la dirección del flujo en relación con el detector basándose en el signo del desplazamiento de frecuencia. [2] La velocidad de flujo detectada mínima informada es de 0,027 mm/s en el medio de dispersión. [3]
Una aplicación prometedora es la medición no invasiva del flujo. Esto está relacionado con un problema importante en medicina: la medición del flujo sanguíneo a través de arterias , capilares y venas . [3] Medir la velocidad de la sangre en los capilares es un componente importante para determinar clínicamente cuánto oxígeno se suministra a los tejidos y es potencialmente importante para el diagnóstico de una variedad de enfermedades, incluidas la diabetes y el cáncer . Sin embargo, una dificultad particular para medir la velocidad del flujo en los capilares es causada por la baja tasa de flujo sanguíneo y el diámetro a escala micrométrica. La obtención de imágenes basada en el efecto Doppler fotoacústico es un método prometedor para la medición del flujo sanguíneo en los capilares.
Actualmente se utilizan varias técnicas, basadas en ultrasonidos o luz, para medir la velocidad de la sangre en un entorno clínico u otros tipos de velocidades de flujo.
La técnica de ultrasonido Doppler utiliza cambios de frecuencia Doppler en las ondas de ultrasonido. Esta técnica se utiliza actualmente en biomedicina para medir el flujo sanguíneo en arterias y venas . Está limitada a altas tasas de flujo ( cm/s) que se encuentran generalmente en vasos grandes debido a la alta señal de ultrasonido de fondo del tejido biológico. [3]
La flujometría láser Doppler utiliza luz en lugar de ultrasonidos para detectar la velocidad del flujo. La longitud de onda óptica mucho más corta significa que esta tecnología puede detectar velocidades de flujo bajas fuera del rango de la ecografía Doppler . Pero esta técnica está limitada por un alto ruido de fondo y una señal baja debido a la dispersión múltiple . La flujometría láser Doppler puede medir solo la velocidad promedio de la sangre dentro de 1 mm 3 sin información sobre la dirección del flujo. [3] La obtención de imágenes láser Doppler de banda ancha mediante holografía digital con una cámara de alta velocidad puede superar algunas de las limitaciones de la flujometría láser Doppler y lograr mediciones del flujo sanguíneo en vasos superficiales con una resolución espacial y temporal más alta.
La tomografía de coherencia óptica Doppler es una técnica de medición de flujo óptico que mejora la resolución espacial de la flujometría láser Doppler al rechazar la luz dispersa múltiple con compuerta coherente. Esta técnica puede detectar velocidades de flujo tan bajas como m/s con una resolución espacial de m . La profundidad de detección suele estar limitada por el alto coeficiente de dispersión óptica del tejido biológico a mm. [3]
El efecto Doppler fotoacústico se puede utilizar para medir la velocidad del flujo sanguíneo con las ventajas de la obtención de imágenes fotoacústicas . La obtención de imágenes fotoacústicas combina la resolución espacial de las imágenes por ultrasonidos con el contraste de la absorción óptica en el tejido biológico profundo. [1] La ecografía tiene una buena resolución espacial en el tejido biológico profundo, ya que la dispersión ultrasónica es mucho más débil que la dispersión óptica, pero es insensible a las propiedades bioquímicas. Por el contrario, la obtención de imágenes ópticas puede lograr un alto contraste en el tejido biológico a través de una alta sensibilidad a los pequeños absorbentes ópticos moleculares, como la hemoglobina que se encuentra en los glóbulos rojos , pero su resolución espacial se ve comprometida por la fuerte dispersión de la luz en el tejido biológico. Al combinar la obtención de imágenes ópticas con la ecografía, es posible lograr tanto un alto contraste como una resolución espacial. [1]
La flujometría Doppler fotoacústica podría utilizar el poder de la fotoacústica para medir velocidades de flujo que normalmente son inaccesibles para las técnicas basadas en luz pura o ultrasonidos. La alta resolución espacial podría permitir localizar solo unas pocas partículas absorbentes localizadas en un solo capilar. El alto contraste de los potentes absorbentes ópticos permite resolver claramente la señal de los absorbentes sobre el fondo.
![{\displaystyle I={I}_{0}[1+cos(2\pi f_{0}t)]/2}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dea5ba5b36b124b72bc9b8ef2e198df4faabefa2)
