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A Cost-Efficient Multiwavelength LED-Based System for Quantitative Photoacoustic Measurements

机译：一种基于经济高效的多波长LED系统用于定量光声测量

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摘要

The unique ability of photoacoustic (PA) sensing to provide optical absorption information of biomolecules deep inside turbid tissues with high sensitivity has recently enabled the development of various novel diagnostic systems for biomedical applications. In many cases, PA setups can be bulky, complex, and costly, as they typically require the integration of expensive Q-switched nanosecond lasers, and also presents limited wavelength availability. This article presents a compact, cost-efficient, multiwavelength PA sensing system for quantitative measurements, by utilizing two high-power LED sources emitting at central wavelengths of 444 and 628 nm, respectively, and a single-element ultrasonic transducer at 3.5 MHz for signal detection. We investigate the performance of LEDs in pulsed mode and explore the dependence of PA responses on absorber’s concentration and applied energy fluence using tissue-mimicking phantoms demonstrating both optical absorption and scattering properties. Finally, we apply the developed system on the spectral unmixing of two absorbers contained at various relative concentrations in the phantoms, to provide accurate estimations with absolute deviations ranging between 0.4 and 12.3%. An upgraded version of the PA system may provide valuable in-vivo multiparametric measurements of important biomarkers, such as hemoglobin oxygenation, melanin concentration, local lipid content, and glucose levels.
机译：光声（PA）感测的独特能力，以提供高灵敏度的浑浊组织深度内部的生物分子的光学吸收信息，最近能够开发用于生物医学应用的各种新颖诊断系统。在许多情况下，PA设置可以庞大，复杂，昂贵，因为它们通常需要昂贵的Q开关纳秒激光器的集成，并且还具有有限的波长可用性。本文提出了一种紧凑，成本效益，多波长PA传感系统，用于分别在444和628nm的中心波长下发射的两个高功率LED源，以及3.5MHz的单元素超声换能器进行信号检测。我们研究了LED在脉冲模式下的性能，并利用组织模拟幻像证明光学吸收和散射性能的抑制对吸收剂浓度和应用能量流程的依赖性。最后，我们将开发系统应用于含有各种相对浓度的两个吸收剂的光谱解密，以提供准确的估计，绝对偏差范围为0.4和12.3％。 PA系统的升级版可以提供重要的生物标志物的有价值的体内多体测量，例如血红蛋白氧合，黑色素浓度，局部脂质含量和葡萄糖水平。

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