The physical shape of an ultrasound transducer has not been considered in previous studies of the photoacoustic saturation effect, where a photoacoustic signal's magnitude linearly increases as an absorption coefficient increases and it is finally saturated. In this paper, the effect of a spherically focused ultrasound transducer on photoacoustic nonlinearity is investigated. The focused ultrasound transducer's spatial filtering effect on photoacoustic signals is analytically derived considering the combined concept of a virtual point detector and Green function approach. The ultrasound transducer's temporal response (i.e., transfer function) effect on photoacoustic signals is considered by integrating photoacoustic signal values within the absorption area covered by a spatial resolution of the ultrasound transducer. Results from the analytically derived expression show that the magnitude of photoacoustic signals measured by a spherical focused ultrasound transducer shows a maximum at a specific absorption coefficient, and decreases after that maximum point as an absorption coefficient is increased. The origin of this photoacoustic nonlinearity is physically understood by comparing the ultrasound transducer's transfer functions and photoacoustic resonance spectra. In addition, this physical interpretation implies that the photoacoustic nonlinearity is strongly dependent on the irradiance distribution inside an absorption medium.
Kim, Kyong-Seok;Lee, Kew-Seung;Ahn, Hong-Gyu;Lee, Eung-Jang;Kim, Dae-Kyu;Park, Seung-Han
Korean Journal of Optics and Photonics
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v.22
no.2
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pp.77-82
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2011
Reproducibility obtained by a minimum-volume cell for photoacoustic (PA) signals is strongly dependent upon the sealing materials and sealing efficiency. Therefore, we have proposed, designed, and constructed an apparatus to enhance the sealing efficiency, and we have examined the reproducibility of amplitude and phase of PA signals with a minimum-volume cell. In particular, we have measured the PA signal as a function of modulation frequency for various rubber O-rings by using our apparatus. The results show that a silicon rubber O-ring can improve the reproducibility of the PA signal and phase by up to 53.4% and 80.4%, respectively, compared to that obtained by using the conventional sealing material, vacuum grease.
Photoacoustic imaging is a hybrid real-time imaging technique that combines high optical contrast and ultrasonic resolution. It has primarily been utilized in pre-clinical research and has evolved into clinical practice. In this paper, we review photoacosutic imaging for detection of primary canccer and metastatis and its limitation in translation from pre-clinical to clinical application.
Han, Wonkook;Moon, Ju-Young;Park, Sunghun;Chang, Jin Ho
The Journal of the Acoustical Society of Korea
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v.41
no.5
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pp.507-517
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2022
The PhotoAcoustic Microscopy (PAM) has been proved to be a useful tool for biological and medical applications due to its high spatial and contrast resolution. PAM is based on transmission of laser pulses and reception of PA signals. Since the strength of PA signals is generally low, not only are high-performance optical and acoustic modules required, but high-performance electronics for imaging are also particularly needed for high-quality PAM imaging. Most PAM systems are implemented with a combination of several pieces of equipment commercially available to receive, amplify, enhance, and digitize PA signals. To this end, PAM systems are inevitably bulky and not optimal because general purpose equipment is used. This paper reports a PA signal receiving system recently developed to attain the capability of improved Signal to Noise Ratio (SNR) and Contrast to Noise Ratio (CNR) of PAM images; the main module of this system is a low noise, wideband signal receiver that consists of two low-noise amplifiers, two variable gain amplifiers, analog filters, an Analog to Digital Converter (ADC), and control logic. From phantom imaging experiments, it was found that the developed system can improve SNR by 6.7 dB and CNR by 3 dB, compared to a combination of several pieces of commercially available equipment.
In this paper, the system for detection of photoacoustic signal has been constructed by using CW $CO_{2}$ laser for an analysis of the photoacoustic signal In metals and aluminum carbon steel, brass have been used as sample. The photoacoustic signals of several nano amperes have been detected in each sample with varying modulation frequency of laser, time constant of lock-in amplifier, thickness of sample. The characteristics of photoacoustic signal has been analysed in term of phase angle by using signal processing technique. Results indicate that the photoacoustic signal can be stabilized by adjustment of time constant of lock-in amplifier, that the signal amplitude is proportional to the ratio of thermal expansion coefficient to thermal capacity of metal, and that the signal amplitude decreases exponentially with sample thickness as well as with modulation frequency.
We investigate the signal-to-noise ratios (SNRs) of time-domain (i.e. pulsed illumination) and frequency-domain (i.e. chirped illumination) photoacoustic signals measured by a spherically focused ultrasound transducer for spherical absorbers. The simulation results show that the time-domain photoacoustic SNR is higher than that of frequency-domain photoacoustic signals, as reported in the previous literature. We understand the reason for this SNR gap between the two measurement modes by analyzing photoacoustic-signal spectra, considering the incident beam energy controlled by the maximum permissible exposure. As the result of this approach, we find that filtering off the DC term in the chirped signal's spectrum improves frequency-domain photoacoustic SNRs by up to approximately 5 dB. In particular, it is observed that photoacoustic SNRs are highly sensitive to an upper-frequency value of frequency filtering functions, and the optimal upper-frequency values maximizing the SNR are different in time- and frequency-domain photoacoustic measurements.
Photoacoustic imaging is a useful tool for the diagnosis of atherosclerosis because it is capable of providing anatomical and pathological information at the same time. A photoacoustic signal detector is a pivotal element to achieve high spatial resolution, so that it should have broadband spectrum with a high center frequency. Since a photoacoustic imaging probe is directly inserted into blood vessel to diagnose atherosclerosis, the total size of the photoacoustic signal detector should be less than 1 mm. The main purpose of this paper is to demonstrate that PVDF can be used as an active material for the photoacoustic signal detector with a high frequency and broadband characteristic. The photoacoustic signal detector developed in this study was a single element ultrasound transducer with an aperture of $0.5{\times}0.5mm$ and the total size of 1 mm. In the design stage, the natural focal depth was adjusted for an effective focal area to cover the region of interest, i.e., 1~5 mm in depth. This was because geometrical focusing could not be used due to the small aperture. Through a pulse-echo test, it was ascertained that the developed photoacoustic signal detector has the -6 dB bandwidth ranging between 40.1 and 112.8 MHz and the center frequency of 76.83 MHz.
In this experiment, a three dimensional structure analysis was carried out to examine the surface defects of semiconductor made artificially on known scale. It was investigated the three dimensional imaging according to the sample depth and the thermal diffusivity as well as the carrier transport properties. The thermal diffusivity measurement of the intrinsic GaAs semiconductor was also analyzed by the difference of frequency-dependence photoacoustic signals from the sample surface of different conditions. Thermal properties such as thermal diffusion length or thermal diffusivity of the Si wafer with and without defects on the surface were obtained by interpreting the frequency dependence of the PA signals. As a result, the photoacoustic signal is found to have the dependency on the shape and depth of the defects so that their structure of the defects can be analyzed. This method demonstrates the possibility of the application to the detection of the defects, cracks, and shortage of circuits on surface or sub-surface of the semiconductors and ceramic materials as a nondestructive testing(NDT) and a nondestructive evaluation(NDE) technique.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.35
no.2
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pp.112-119
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2015
Photoacoustic microscopy is capable of providing high-resolution molecular images, and its spatial resolution is typically determined by ultrasonic transducers used to receive the photoacoustic signals. Therefore, ultrasonic transducers for photoacoustic microscopy (PAM) should have a high operating frequency, broad bandwidth, and high signal-reception efficiency. Polyvinylidene fluoride (PVDF) is a suitable material. To take full advantage of this material, the selection of the backing material is crucial, as it influences the center frequency and bandwidth of the transducer. Therefore, we experimentally determined the most suitable backing material among EPO-TEK 301, E-Solder 3022, and RTV. For this, three PVDF high-frequency single-element transducers were fabricated with each backing material. The center frequency and -6 dB bandwidth of each transducer were ascertained by a pulse-echo test. The spatial resolution of each transducer was examined using wire-target images. The experimental results indicated that EPO-TEK 301 is the most suitable backing material for a PAM transducer. This material provides the highest signal magnitude and a reasonable bandwidth because a large portion of the energy propagates toward the front medium, and the PVDF resonates in the half-wave mode.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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