Please wait a minute...

Frontiers of Optoelectronics

Front. Optoelectron.    2017, Vol. 10 Issue (3) : 211-238     DOI: 10.1007/s12200-017-0718-4
REVIEW ARTICLE |
Review of current methods of acousto-optical tomography for biomedical applications
Jacqueline GUNTHER1(), Stefan ANDERSSON-ENGELS1,2
1. Tyndall National Institute, Lee Maltings, Dyke Parade, Cork T12 R5CP, Ireland
2. Department of Physics, University College Cork, Cork T12 YN60, Ireland
Download: PDF(722 KB)   HTML
Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

The field of acousto-optical tomography (AOT) for medical applications began in the 1990s and has since developed multiple techniques for the detection of ultrasound-modulated light. Light becomes frequency shifted as it travels through an ultrasound beam. This “tagged” light can be detected and used for focused optical imaging. Here, we present a comprehensive overview of the techniques that have developed since around 2011 in the field of biomedical AOT. This includes how AOT has advanced by taken advantage of the research conducted in the ultrasound, as well as, the optical fields. Also, simulations and reconstruction algorithms have been formulated specifically for AOT imaging over this time period. Future progression of AOT relies on its ability to provide significant contributions to in vivoimaging for biomedical applications. We outline the challenges that AOT still faces to make in vivoimaging possible and what has been accomplished thus far, as well as possible future directions.

Keywords acousto-optic      ultrasound modulation      optical imaging      biomedical imaging     
Corresponding Authors: Jacqueline GUNTHER   
Just Accepted Date: 18 July 2017   Online First Date: 01 September 2017    Issue Date: 26 September 2017
 Cite this article:   
Jacqueline GUNTHER,Stefan ANDERSSON-ENGELS. Review of current methods of acousto-optical tomography for biomedical applications[J]. Front. Optoelectron., 2017, 10(3): 211-238.
 URL:  
http://journal.hep.com.cn/foe/EN/10.1007/s12200-017-0718-4
http://journal.hep.com.cn/foe/EN/Y2017/V10/I3/211
Service
E-mail this article
E-mail Alert
RSS
Articles by authors
Jacqueline GUNTHER
Stefan ANDERSSON-ENGELS
Fig.1  (a) Mock speckle pattern generated to demonstrate signal with the ultrasound perturbation off. (b) A mock speckle pattern with the ultrasound perturbation on. (c) Example of frequency spectrum of output signal from light tagging in which there is the optical frequency (n0) and the side-bands shifted±the ultrasound frequency (na)
Fig.2  Two coherent mechanisms that contribute to phase change in ultrasound modulated light. (a) Phase change due to the displacement of scatterers in which light scatters off of moving particles within the ultrasound beam and causes a change in direction. Inset shows scattering displacement of an ultrasound wave with amplitude A. (b) Refraction of light between two scattering events due to changes in index of refraction. Inset shows Dn along the ultrasound axis. (c) The third mechanism involving incoherent light propagation. The ultrasound perturbation causes a change in the density of the medium, which causes a change in the optical properties
Fig.3  (a) Parameters δn and δd of the autocorrelation function versus kal. (b) The ratio of δnd compare to kal. (c) Change in αn1 and αn2 and (d) ratio of αn1/αn2 versus kal. Recreated from Ref. [8]
Fig.4  Using Eqs. (5) and (6), from the analytical model in which A = 0.1 nm, va = 1480 m/s, r = 1000 kg/m3, dn/dp = 1.466E−10 m2/N, n0 = 1.33, l = 500 nm, ms = 10 cm1, L = 5 cm, and ka = 10000 m1. Parameters were taken from Refs. [8,20]. (a) An example of the autocorrelation function (G). (b) Fourier transform of G with one of the peaks corresponding to the acoustic frequency fa0. (c) Example of In(nw) as a function of n (integer) in which the modulation depth in the example is M≈0.004. (d) Modulation depth with respect to ka with only the displacement component (Md), only the index of refraction component (Mn), and both components (Msum) considered. Modulation depth was calculated analytically and recreated from Refs. [12,20]
areatechniqueapproacheschallenge(s) addressedRef.
ultrasounddual ultrasound frequenciestwo ultrasound focispeed[41]
two-region transducerdetermine Young’s modulus[4244]
two ultrasound transducersaxial resolution[45]
pressure contrastdifferent pressure wavesdetermine scattering coefficient[46,47]
second harmonicultrasound pulse sequencesresolution and SNR[4850]
planar wavescombined with image reconstructionspeed[51]
HIFUcombined AOT and HIFUmonitoring HIFU[47,52]
microbubblesTRUME; pulsed laser speckle contrast detection; fluorescent microbubblesresolution and contrast[5355]
acoustic radiation forcelaser-speckle contrast analysistrack shear waves and estimate mechanical properties[36,5660]
opticalspeckle contrast and modulation depth measurementsparallel speckle detection; speckle contrast; nanosecond laser pulsesobtaining modulated light measurements from speckle pattern[6165]
incoherent light sourcesLED light source; imaging chemiluminescent source; bioluminescence numerical model; fluorescent objectsobservation of incoherent ultrasound modulated light[2123,66]
interferometry and heterodyne holographyCMOS smart pixel array and FT-AOI; lock-in cameraamplification of unmodulated light signal without background amplification[6769]
photorefractive crystal based detectionSn2P2S6:Te crystal; ND:YVO4 crystal; Bi12SiO20 crystal; high numeric aperture fiber bundle; photorefractive polymerdetection of modulated or unmodulated light signal[15,16,7074]
phase conjugation with photorefractive crystals and polymersTRUE with Bi12SiO20 crystal, photorefractive polymer, or Sn2P2S6:Te crystal, SLMfocus phase conjugated beam within a medium[18,7580]
focused fluorescent excitationTRUE; combining SLM-based illumination and PRC-based detection; digital phase conjugation; TROVE light; iTRUEfluorescent imaging beyond the ballistic regime (~1 mm)[8188]
quantum memory techniquesspectral hole burning; atomic frequency combfilter sidebands of signal spectrum[14,8992]
misc.acousto-optical coherence tomographycontinuously applied light and ultrasound with random phase jumpsresolution and SNR[9396]
combined with PATassist AOT:PAT guided ultrasound wavefront shapingcompensate for speed of sound aberrations[97]
assist PAT:measuring fluence with AOTcompensate for fluence variations in PAT signal[19,98,99]
commercialacquire dynamic blood flow measurementsclinical trials in humans[100102]
Tab.1  Summarization of AOT approaches and impact
Fig.5  Examples of concepts and generic configurations of the ultrasound portion of AOT. (a) Example of two frequencies (n1 and n2) forming a beat frequency (nb) with period Tb. (b) An ultrasound focus caused by two ultrasound transducers (UST) with beat frequency nb. (c) AOT configuration with two ultrasound (US) pulses of different pressure. (d) Pulse sequencing with inverted ultrasound pulses. (e) Planar wave imaging where the laser input is in the x-direction, ultrasound is propagating in the negative y-direction, and then the ultrasound is swept in the z-direction. (f) High intensity focused ultrasound (HIFU) used to create a lesion in the medium. (g) Imaging with microbubbles (MB) in which the microbubbles are destroyed with ultrasound which causes a change in the electric field that is detected. (h) An example of acoustic radiation force (ARF) imaging. Ultrasound propagation is in the z-direction. A shear wave propagates perpendicular (y-direction) to the ultrasound propagation. Laser light is illuminated through the shear wave (x-direction)
Fig.6  Generic examples of optical configurations that have been utilized or developed. Each setup consist of laser illumination that travels through a sample that undergoes ultrasound perturbation. (a) Speckle imaging. (b) Heterodyne digital holography, which can be configured with an acousto-optic modulator so that the reference beam matches the tagged or untagged photons (untagged shown). (c) Photorefractive crystal based interferometry. (d) Phase conjugation with photorefractive crystals (PRC). (e) Phase conjugations with spatial light modulator (SLM). The signal from the sample is detected with detector array, which is processed with the PC, and displayed on the spatial light modulator. The reference beam reflects off the SLM and back into the sample where it is refocused into the ultrasound focus and detected. (f) Fluorescent imaging. Ultrasound propagation is in the z-direction. The light is illuminated through the ultrasound focus and the sample. The light is phase conjugated back and then detected. Detector can be placed on a different surface of the sample. (g) Spectral hole burning in a rare-earth crystal (REC). The crystal is first burned with a reference beam that had been tuned to the tagged photon frequency. Then the signal is transmitted through the sample and the tagged photons that pass through the REC are detected. (h) Acoustic optical coherence tomography. The ultrasound signal undergoes random phase jumps (FUS) between 0 and p. The laser light is also amplitude modulated and undergoes the same random phase jumps (F0) as the ultrasound but with a time delay (tdelay). UST: ultrasound transducer, US: ultrasound; BS: beam splitter, M: mirror, PRC: photorefractive crystal, R: reference, R*: conjugate of reference beam, SLM: spatial light modulator, PC: personal computer, AOM: acousto-optical modulator, REC: rare-earth crystal
Fig.7  Concepts behind the different crystals used in AOT. (a) Photorefractive crystal based interferometry: A reference beam (ER) is set to a specific wavelength (i.e., frequency of the ultrasound modulated light) and travels through the photorefractive crystal (PRC) so that ER is diffracted (ED) and matches the wavefront of the signal wavefront (ES) that has the same frequency as ER. (b) Photorefractive crystal (PRC) phase conjugation. An example of an incident light wave (ES) and how light is reflected off a mirror (ES). The wavefront reverses direction and the part of the light wave that arrived at the mirror first is reflected back first. For PRC-based phase conjugation, a reference beam (ER) and its conjugate (ER*) are injected into the PRC with an incident wave ES moving to the left. The light wave is phase conjugated (ES*) in which the shape of the wavefront is retained and moves to the left. However, only the portion of ES that matches the frequency of ER and ER* will phase conjugated. (c) Spectral hole burning (SHB). For SHB, light of a specific frequency if filtered, while the rest of the light is absorbed by a rare-earth crystal (REC). The first step is to “burn” the crystal using a beam (EB) with a given frequency. For example, the REC can be burned with the modulated light frequency (optical wavelength (n0) plus the ultrasound frequency (na)). Ideally, only the signal that matches the frequency of EB will pass through the REC and be detected
AFC – atomic frequency comb
AOCT – acousto-optical coherence tomography
AOT – acousto-optical tomography
ARF – acoustic radiation force
BSO- Bi12SiO20
CNR – contrast-to-noise ratio
CUDAMCML – Compute Unified Device Architecture Monte Carlo for multi layered tissue
DA- diffusion approximation
DOT – diffuse optical tomography
FBR – focus-to-background ratio
FDTD – finite difference time domain
FT-AOI – Fourier transform acousto-optic imaging
GPU – graphics processing unit
HIFU – high intensity focused ultrasound
iTRUE – iterative time-reversed ultrasonically encoded
MC – Monte Carlo
MI – mechanical index
OCT – optical coherence tomography
PAT – photoacoustic tomography
PCS – pressure contrast signal
PRC – photorefractive crystal
SBR – signal-to-background ratio
SHB – spectral hole burning
SLM – spatial light modulator
SNR – signal-to-noise ratio
SOS – speed of sound
SW-LASCA – shear-wave laser speckle contrast analysis
TROVE – time-reversal of variance encoded
TRUE – time-reversed ultrasonically encoded
TRUME – time-reversed ultrasound microbubble encoded
  
1 Wang L V. Ultrasound-mediated biophotonic imaging: a review of acousto-optical tomography and photo-acoustic tomography. Disease Markers, 2003– 2004, 19(2–3): 123–138
doi: 10.1155/2004/478079 pmid: 15096709
2 Brillouin L.Diffusion de la lumière et des rayons X par un corps transparent homogène. Influence de l’agitation thermique. Ann. Physique (Paris), 1922, 17(88–122): 21
3 Debye P, Sears F W. On the scattering of light by supersonic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1932, 18(6): 409–414
doi: 10.1073/pnas.18.6.409 pmid: 16587705
4 Lucas R, Biquard P. Propriétés optique des milieux solides et liquides soumis aux vibrations élastiques ultra sonores. Journal of Physics, 1932, 71(10): 464–477
5 Marks F A, Tomlinson H W, Brooksby G W. Comprehensive approach to breast cancer detection using light: photon localization by ultrasound modulation and tissue characterization by spectral discrimination. In: Proceedings of SPIE 1888, Photon Migration and Imaging in Random Media and Tissues. 1993, 500–510
6 Wang L, Jacques S L, Zhao X. Continuous-wave ultrasonic modulation of scattered laser light to image objects in turbid media. Optics Letters, 1995, 20(6): 629–631 
doi: 10.1364/OL.20.000629 pmid: 19859278
7 Leutz W, Maret G. Ultrasonic modulation of multiply scattered light. Physica B, Condensed Matter, 1995, 204(1−4): 14–19
doi: 10.1016/0921-4526(94)00238-Q
8 Wang L V. Mechanisms of ultrasonic modulation of multiply scattered coherent light: an analytic model. Physical Review Letters, 2001, 87(4): 043903
doi: 10.1103/PhysRevLett.87.043903 pmid: 11461618
9 Li C, Kim C, Lihong V W. Photoacoustic tomography and ultrasound-modulated optical tomography. In: Boas D A, Pitris C, Ramanujam N, eds. Handbook of Biomedical Optics. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2011, 419–442
10 Resink S G, Boccara A C, Steenbergen W. State-of-the art of acousto-optic sensing and imaging of turbid media. Journal of Biomedical Optics, 2012, 17(4): 040901
doi: 10.1117/1.JBO.17.4.040901 pmid: 22559674
11 Walther A, Rippe L, Lihong V W, Andersson-Engels S, Kröll S. Is optical imaging of oxygenation at heart depth possible? (submitted), 2017
12 Elson D S, Li R, Dunsby C, Eckersley R, Tang M X. Ultrasound-mediated optical tomography: a review of current methods. Interface Focus, 2011, 1(4): 632–648
doi: 10.1098/rsfs.2011.0021 pmid: 22866234
13 Lai P, Xu X, Wang L V. Ultrasound-modulated optical tomography at new depth. Journal of Biomedical Optics, 2012, 17(6): 066006
doi: 10.1117/1.JBO.17.6.066006 pmid: 22734762
14 Zhang H, Sabooni M, Rippe L, Kim C, Kröll S, Wang L V, Hemmer P R. Slow light for deep tissue imaging with ultrasound modulation. Applied Physics Letters, 2012, 100(13): 131102
doi: 10.1063/1.3696307 pmid: 22509069
15 Suzuki Y, Lai P, Xu X, Wang L. High-sensitivity ultrasound-modulated optical tomography with a photorefractive polymer. Optics Letters, 2013, 38(6): 899–901
doi: 10.1364/OL.38.000899 pmid: 23503253
16 Lai P, Suzuki Y, Xu X, Wang L V. Exploring ultrasound-modulated optical tomography at clinically useful depths using the photorefractive effect. In: Oraevsky A A, Wang L V, eds. Photons Plus Ultrasound: imaging and Sensing: Proceedings of SPIE. 2013, 85812X
17 Yao G, Wang L V. Theoretical and experimental studies of ultrasound-modulated optical tomography in biological tissue. Applied Optics, 2000, 39(4): 659–664
doi: 10.1364/AO.39.000659 pmid: 18337939
18 Jang M, Ruan H, Judkewitz B, Yang C. Model for estimating the penetration depth limit of the time-reversed ultrasonically encoded optical focusing technique. Optics Express, 2014, 22(5): 5787–5807
doi: 10.1364/OE.22.005787 pmid: 24663917
19 Hussain A, Daoudi K, Hondebrink E, Steenbergen W. Mapping optical fluence variations in highly scattering media by measuring ultrasonically modulated backscattered light. Journal of Biomedical Optics, 2014, 19(6): 066002
doi: 10.1117/1.JBO.19.6.066002 pmid: 24887744
20 Wang L V. Mechanisms of ultrasonic modulation of multiply scattered coherent light: a Monte Carlo model. Optics Letters, 2001, 26(15): 1191–1193
doi: 10.1364/OL.26.001191 pmid: 18049559
21 Huynh N T, Hayes-Gill B R, Zhang F, Morgan S P. Ultrasound modulated imaging of luminescence generated within a scattering medium. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(2): 020505
doi: 10.1117/1.JBO.18.2.020505 pmid: 23386195
22 Jarrett C W, Caskey C F, Gore J C. Detection of a novel mechanism of acousto-optic modulation of incoherent light. PLoS One, 2014, 9(8): e104268
doi: 10.1371/journal.pone.0104268 pmid: 25105880
23 Huynh N T, Ruan H, He D, Hayes-Gill B R, Morgan S P. Effect of object size and acoustic wavelength on pulsed ultrasound modulated fluorescence signals. Journal of Biomedical Optics, 2012, 17(7): 076008
doi: 10.1117/1.JBO.17.7.076008 pmid: 22894491
24 Wang L V, Wu H. Biomedical Optics: Principles and Imaging. New Jersey: John Wiley & Sons, 2012
25 Sakadžić  S, Wang L V. Ultrasonic modulation of multiply scattered coherent light: an analytical model for anisotropically scattering media. Physical Review E: Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 2002, 66(2): 026603
doi: 10.1103/PhysRevE.66.026603 pmid: 12241307
26 Yao G, Wang L V. Signal dependence and noise source in ultrasound-modulated optical tomography. Applied Optics, 2004, 43(6): 1320–1326
doi: 10.1364/AO.43.001320 pmid: 15008535
27 Sakadžić  S, Wang L V. Correlation transfer equation for ultrasound-modulated multiply scattered light. Physical Review E: Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 2006, 74(3): 036618
doi: 10.1103/PhysRevE.74.036618 pmid: 17025775
28 Sakadžić  S, Wang L V. Correlation transfer equation for multiply scattered light modulated by an ultrasonic pulse. Journal of the Optical Society of America. A, Optics, Image Science, and Vision, 2007, 24(9): 2797–2806
doi: 10.1364/JOSAA.24.002797 pmid: 17767248
29 Sakadžić  S, Wang L V. Modulation of multiply scattered coherent light by ultrasonic pulses: an analytical model. Physical Review E: Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 2005, 72(3): 036620
doi: 10.1103/PhysRevE.72.036620 pmid: 16241605
30 Alerstam E, Svensson T, Andersson-Engels S. Parallel computing with graphics processing units for high-speed Monte Carlo simulation of photon migration. Journal of Biomedical Optics, 2008, 13(6): 060504
31 Leung T S, Powell S.Fast Monte Carlo simulations of ultrasound-modulated light using a graphics processing unit. Journal of Biomedical Optics, 2010, 15(5): 055007
32 Powell S, Leung T S. Highly parallel Monte-Carlo simulations of the acousto-optic effect in heterogeneous turbid media. Journal of Biomedical Optics, 2012, 17(4): 045002
doi: 10.1117/1.JBO.17.4.045002 pmid: 22559676
33 Adams M T, Cleveland R O, Roy R A. Modeling-based design and assessment of an acousto-optic guided high-intensity focused ultrasound system. Journal of Biomedical Optics, 2017, 22(1): 017001
doi: 10.1117/1.JBO.22.1.017001 pmid: 28114454
34 Lu M Z, Wu Y P, Shi Y, Guan Y B, Guo X L, Wan M X. Monte Carlo simulation of scattered light with shear waves generated by acoustic radiation force for acousto-optic imaging. Chinese Physics Letters, 2012, 29(12): 124302
doi: 10.1088/0256-307X/29/12/124302
35 Li Y J, Huang W J, Ma F C, Wang R, Lu M Z, Wan M X. A modified Monte Carlo model of speckle tracking of shear wave induced by acoustic radiation force for acousto-optic elasticity imaging. Chinese Physics Letters, 2016, 33(11): 114301
doi: 10.1088/0256-307X/33/11/114301
36 Li S, Cheng Y, Song L, Eckersley R J, Elson D S, Tang M X. Tracking shear waves in turbid medium by light: theory, simulation, and experiment. Optics Letters, 2014, 39(6): 1597–1600
doi: 10.1364/OL.39.001597 pmid: 24690847
37 Tsalach A, Schiffer Z, Ratner E, Breskin I, Zeitak R, Shechter R, Balberg M. Depth selective acousto-optic flow measurement. Biomedical Optics Express, 2015, 6(12): 4871–4886
doi: 10.1364/BOE.6.004871 pmid: 26713201
38 Tsalach A, Metzger Y, Breskin I, Zeitak R, Shechter R. Ultrasound modulated light blood flow measurement using intensity autocorrelation function: a Monte-Carlo simulation. In: Proceedings of SPIE 8943, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing, 2014, 89433N
39 Hollmann J L, Horstmeyer R, Yang C, DiMarzio C A. Analysis and modeling of an ultrasound-modulated guide star to increase the depth of focusing in a turbid medium. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(2): 025004
doi: 10.1117/1.JBO.18.2.025004 pmid: 23400416
40 Hollmann J L, Horstmeyer R, Yang C, DiMarzio C A. Diffusion model for ultrasound-modulated light. Journal of Biomedical Optics, 2014, 19(3): 035005
doi: 10.1117/1.JBO.19.3.035005 pmid: 24638247
41 Fiolka R, Si K, Cui M. Parallel wavefront measurements in ultrasound pulse guided digital phase conjugation. Optics Express, 2012, 20(22): 24827–24834
doi: 10.1364/OE.20.024827 pmid: 23187248
42 Chandran R S, Roy D, Kanhirodan R, Vasu R M, Devi C U. Ultrasound modulated optical tomography: Young’s modulus of the insonified region from measurement of natural frequency of vibration. Optics Express, 2011, 19(23): 22837–22850
doi: 10.1364/OE.19.022837 pmid: 22109162
43 Chandran R S, Devaraj G, Kanhirodan R, Roy D, Vasu R M. Detection and estimation of liquid flow through a pipe in a tissue-like object with ultrasound-assisted diffuse correlation spectroscopy. Journal of the Optical Society of America A, Optics, Image Science, and Vision, 2015, 32(10): 1888–1897
doi: 10.1364/JOSAA.32.001888 pmid: 26479942
44 Chandran R S, Sarkar S, Kanhirodan R, Roy D, Vasu R M. Diffusing-wave spectroscopy in an inhomogeneous object: local viscoelastic spectra from ultrasound-assisted measurement of correlation decay arising from the ultrasound focal volume. Physical Review E: Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 2014, 90(1): 012303
doi: 10.1103/PhysRevE.90.012303 pmid: 25122299
45 Yang Q, Xu X, Lai P, Xu D, Wang L V. Time-reversed ultrasonically encoded optical focusing using two ultrasonic transducers for improved ultrasonic axial resolution. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(11): 110502
doi: 10.1117/1.JBO.18.11.110502 pmid: 24194060
46 Lai P, Roy R A, Murray T W. Quantitative characterization of turbid media using pressure contrast acousto-optic imaging. Optics Letters, 2009, 34(18): 2850–2852
doi: 10.1364/OL.34.002850 pmid: 19756126
47 Murray T W, Lai P, Roy R A. Measuring tissue properties and monitoring therapeutic responses using acousto-optic imaging. Annals of Biomedical Engineering, 2012, 40(2): 474–485
doi: 10.1007/s10439-011-0425-z pmid: 22006427
48 Ruan H, Mather M L, Morgan S P. Pulse inversion ultrasound modulated optical tomography. Optics Letters, 2012, 37(10): 1658–1660
doi: 10.1364/OL.37.001658 pmid: 22627528
49 Ruan H, Mather M L, Morgan S P. Pulsed ultrasound modulated optical tomography with harmonic lock-in holography detection. Journal of the Optical Society of America A, Optics, Image Science, and Vision, 2013, 30(7): 1409–1416
doi: 10.1364/JOSAA.30.001409 pmid: 24323157
50 Ruan H, Mather M L, Morgan S P. Pulsed ultrasound modulated optical tomography utilizing the harmonic response of lock-in detection. Applied Optics, 2013, 52(19): 4755–4762
doi: 10.1364/AO.52.004755 pmid: 23842276
51 Laudereau J B, Grabar A A, Tanter M, Gennisson J L, Ramaz F. Ultrafast acousto-optic imaging with ultrasonic plane waves. Optics Express, 2016, 24(4): 3774–3789
doi: 10.1364/OE.24.003774 pmid: 26907033
52 Lai P, McLaughlan J R, Draudt A B, Murray T W, Cleveland R O, Roy R A. Real-time monitoring of high-intensity focused ultrasound lesion formation using acousto-optic sensing. Ultrasound in Medicine & Biology, 2011, 37(2): 239–252
doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2010.11.004 pmid: 21208729
53 Ruan H, Jang M, Yang C. Optical focusing inside scattering media with time-reversed ultrasound microbubble encoded light. Nature Communications, 2015, 6: 8968
doi: 10.1038/ncomms9968 pmid: 26597439
54 Ruan H, Mather M L, Morgan S P. Ultrasound modulated optical tomography contrast enhancement with non-linear oscillation of microbubbles. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery, 2015, 5(1): 9–16
pmid: 25694948
55 Liu Y, Feshitan J A, Wei M Y, Borden M A, Yuan B. Ultrasound-modulated fluorescence based on fluorescent microbubbles. Journal of Biomedical Optics, 2014, 19(8): 085005
doi: 10.1117/1.JBO.19.8.085005 pmid: 25104407
56 Li R, Elson D S, Dunsby C, Eckersley R, Tang M X. Effects of acoustic radiation force and shear waves for absorption and stiffness sensing in ultrasound modulated optical tomography. Optics Express, 2011, 19(8): 7299–7311
doi: 10.1364/OE.19.007299 pmid: 21503041
57 Cheng Y, Li R, Li S, Dunsby C, Eckersley R J, Elson D S, Tang M X. Shear wave elasticity imaging based on acoustic radiation force and optical detection. Ultrasound in Medicine & Biology, 2012, 38(9): 1637–1645
doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2012.04.022 pmid: 22749816
58 Cheng Y, Li S, Eckersley R J, Elson D S, Tang M X. Viscosity measurement based on shear-wave laser speckle contrast analysis. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(12): 121511
doi: 10.1117/1.JBO.18.12.121511 pmid: 24357548
59 Cheng Y, Li S, Eckersley R J, Elson D S, Tang M X. Detecting tissue optical and mechanical properties with an ultrasound modulated optical imaging system in reflection detection geometry. Biomedical Optics Express, 2015, 6(1): 63–71
doi: 10.1364/BOE.6.000063 pmid: 25657875
60 Li S, Cheng Y, Eckersley R J, Elson D S, Tang M X. Dual shear wave induced laser speckle contrast signal and the improvement in shear wave speed measurement. Biomedical Optics Express, 2015, 6(6): 1954–1962
doi: 10.1364/BOE.6.001954 pmid: 26114021
61 Li J, Wang L V. Methods for parallel-detection-based ultrasound-modulated optical tomography. Applied Optics, 2002, 41(10): 2079–2084
doi: 10.1364/AO.41.002079 pmid: 11936815
62 Bratchenia A, Molenaar R, Kooyman R P H. Towards quantitative acousto-optic imaging in tissue. Laser Physics, 2011, 21(3): 601–607
doi: 10.1134/S1054660X11050033
63 Resink S G, Hondebrink E, Steenbergen W. Towards acousto-optic tissue imaging with nanosecond laser pulses. Optics Express, 2014, 22(3): 3564–3571
doi: 10.1364/OE.22.003564 pmid: 24663646
64 Resink S G, Steenbergen W. Tandem-pulsed acousto-optics: an analytical framework of modulated high-contrast speckle patterns. Physics in Medicine and Biology, 2015, 60(11): 4371–4382
doi: 10.1088/0031-9155/60/11/4371 pmid: 25985079
65 Resink S, Hondebrink E, Steenbergen W. Solving the speckle decorrelation challenge in acousto-optic sensing using tandem nanosecond pulses within the ultrasound period. Optics Letters, 2014, 39(22): 6486–6489
doi: 10.1364/OL.39.006486 pmid: 25490500
66 Zhang Q, Mather M L, Morgan S P. Numerical investigation of the mechanisms of ultrasound-modulated bioluminescence tomography. IEEE Transactions on Bio-medical Engineering, 2015, 62(9): 2135–2143
doi: 10.1109/TBME.2015.2405415 pmid: 25706504
67 Barjean K, Contreras K, Laudereau J B, Tinet É, Ettori D, Ramaz F, Tualle J M. Fourier transform acousto-optic imaging with a custom-designed CMOS smart-pixels array. Optics Letters, 2015, 40(5): 705–708
doi: 10.1364/OL.40.000705 pmid: 25723412
68 Barjean K, Ramaz F, Tualle J M. Theoretical study of Fourier-transform acousto-optic imaging. Journal of the Optical Society of America A, Optics, Image Science, and Vision, 2016, 33(5): 854–862
doi: 10.1364/JOSAA.33.000854 pmid: 27140883
69 Liu Y, Shen Y, Ma C, Shi J, Wang L V. Lock-in camera based heterodyne holography for ultrasound-modulated optical tomography inside dynamic scattering media. Applied Physics Letters, 2016, 108(23): 231106
doi: 10.1063/1.4953630 pmid: 27493275
70 Farahi S, Benoit E, Grabar A A, Huignard J P, Ramaz F. Time resolved three-dimensional acousto-optic imaging of thick scattering media. Optics Letters, 2012, 37(13): 2754–2756
doi: 10.1364/OL.37.002754 pmid: 22743518
71 Jayet B, Huignard J P, Ramaz F. Fast wavefront adaptive holography in Nd:YVO4 for ultrasound optical tomography imaging. Optics Express, 2014, 22(17): 20622–20633
doi: 10.1364/OE.22.020622 pmid: 25321267
72 À La Guillaume E B, Bortolozzo U, Huignard J P, Residori S, Ramaz F. Dynamic ultrasound modulated optical tomography by self-referenced photorefractive holography. Optics Letters, 2013, 38(3): 287–289
doi: 10.1364/OL.38.000287 pmid: 23381413
73 Devaux F, Huignard J P, Ramaz F. Modelization and optimized speckle detection scheme in photorefractive self-referenced acousto-optic imaging. Optics Express, 2014, 22(9): 10682–10692
doi: 10.1364/OE.22.010682 pmid: 24921769
74 Laudereau J B, À La Guillaume E B, Servois V, Mariani P, Grabar A A, Tanter M, Gennisson J L, Ramaz F. Multi-modal acousto-optic/ultrasound imaging of ex vivo liver tumors at 790 nm using a Sn2P2S6 wavefront adaptive holographic setup. Journal of Biophotonics, 2015, 8(5): 429–436
doi: 10.1002/jbio.201400071 pmid: 25236956
75 Xu X, Liu H, Wang L V. Time-reversed ultrasonically encoded optical focusing into scattering media. Nature Photonics, 2011, 5(3): 154–157
doi: 10.1038/nphoton.2010.306 pmid: 21532925
76 Liu H, Xu X, Lai P, Wang L V. Time-reversed ultrasonically encoded optical focusing into tissue-mimicking media with thickness up to 70 mean free paths. Journal of Biomedical Optics, 2011, 16(8): 086009
77 Lai P, Xu X, Liu H, Suzuki Y, Wang L V. Reflection-mode time-reversed ultrasonically encoded optical focusing into turbid media. Journal of Biomedical Optics, 2011, 16(8): 080505
doi: 10.1117/1.3609001 pmid: 21895305
78 Suzuki Y, Xu X, Lai P, Wang L V. Energy enhancement in time-reversed ultrasonically encoded optical focusing using a photorefractive polymer. Journal of Biomedical Optics, 2012, 17(8): 080507
doi: 10.1117/1.JBO.17.8.080507 pmid: 23224158
79 Liu Y, Lai P, Ma C, Xu X, Grabar A A, Wang L V. Optical focusing deep inside dynamic scattering media with near-infrared time-reversed ultrasonically encoded (TRUE) light. Nature Communications, 2015, 6: 5904
doi: 10.1038/ncomms6904 pmid: 25556918
80 Liu Y, Ma C, Shen Y, Wang L V. Bit-efficient, sub-millisecond wavefront measurement using a lock-in camera for time-reversal based optical focusing inside scattering media. Optics Letters, 2016, 41(7): 1321–1324
doi: 10.1364/OL.41.001321 pmid: 27192226
81 Si K, Fiolka R, Cui M. Fluorescence imaging beyond the ballistic regime by ultrasound pulse guided digital phase conjugation. Nature Photonics, 2012, 6(10): 657–661
doi: 10.1038/nphoton.2012.205 pmid: 23241552
82 Wang Y M, Judkewitz B, Dimarzio C A, Yang C. Deep-tissue focal fluorescence imaging with digitally time-reversed ultrasound-encoded light. Nature Communications, 2012, 3: 928
doi: 10.1038/ncomms1925 pmid: 22735456
83 Lai P, Suzuki Y, Xu X, Wang L V. Focused fluorescence excitation with time-reversed ultrasonically encoded light and imaging in thick scattering media. Laser Physics Letters, 2013, 10(7): 075604
doi: 10.1088/1612-2011/10/7/075604 pmid: 24465244
84 Tay J W, Lai P, Suzuki Y, Wang L V. Ultrasonically encoded wavefront shaping for focusing into random media. Scientific Reports, 2014, 4(1): 3918
doi: 10.1038/srep03918 pmid: 24472822
85 Suzuki Y, Tay J W, Yang Q, Wang L V. Continuous scanning of a time-reversed ultrasonically encoded optical focus by reflection-mode digital phase conjugation. Optics Letters, 2014, 39(12): 3441–3444
doi: 10.1364/OL.39.003441 pmid: 24978506
86 Si K, Fiolka R, Cui M. Breaking the spatial resolution barrier via iterative sound-light interaction in deep tissue microscopy. Scientific Reports, 2012, 2: 748
doi: 10.1038/srep00748 pmid: 23087813
87 Judkewitz B, Wang Y M, Horstmeyer R, Mathy A, Yang C. Speckle-scale focusing in the diffusive regime with time-reversal of variance-encoded light (TROVE). Nature Photonics, 2013, 7(4): 300–305
doi: 10.1038/nphoton.2013.31 pmid: 23814605
88 Ruan H, Jang M, Judkewitz B, Yang C. Iterative time-reversed ultrasonically encoded light focusing in backscattering mode. Scientific Reports, 2014, 4(1): 7156
doi: 10.1038/srep07156 pmid: 25412687
89 Xu X, Kothapalli S-R, Liu H, Wang L V. Spectral hole burning for ultrasound-modulated optical tomography of thick tissue. Journal of Biomedical Optics, 2010, 15(6): 066018
90 McAuslan D, Taylor L, Longdell J. Using quantum memory techniques for optical detection of ultrasound. Applied Physics Letters, 2012, 101(19): 191112
doi: 10.1063/1.4766341
91 Taylor L R, McAuslan D L, Longdell J J. Optical detection of ultrasound using AFC-based quantum memory technique in cryogenic rare earth ion doped crystals. In: Proceedings of SPIE 8581, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing. 2013, 858117
92 Taylor L R, Doronin A, Meglinski I, Longdell J J. Acousto-optic imaging using quantum memories in cryogenic rare earth ion doped crystals. In: Proceedings of SPIE 8943, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing. 2014, 89431D
93 Lesaffre M, Farahi S, Gross M, Delaye P, Boccara C, Ramaz F. Acousto-optical coherence tomography using random phase jumps on ultrasound and light. Optics Express, 2009, 17(20): 18211–18218
doi: 10.1364/OE.17.018211 pmid: 19907612
94 Lesaffre M, Farahi S, Boccara A C, Ramaz F, Gross M. Theoretical study of acousto-optical coherence tomography using random phase jumps on ultrasound and light. Journal of the Optical Society of America A, Optics, Image Science, and Vision, 2011, 28(7): 1436–1444
doi: 10.1364/JOSAA.28.001436 pmid: 21734743
95 Lesaffre M, Farahi S, Ramaz F, Gross M. Experimental study of z resolution in acousto-optical coherence tomography using random phase jumps on ultrasound and light. Applied Optics, 2013, 52(5): 949–957
doi: 10.1364/AO.52.000949 pmid: 23400056
96 A La Guillaume E B, Farahi S, Bossy E, Gross M, Ramaz F. Acousto-optical coherence tomography with a digital holographic detection scheme. Optics Letters, 2012, 37(15): 3216–3218
doi: 10.1364/OL.37.003216 pmid: 22859137
97 Staley J, Hondebrink E, Peterson W, Steenbergen W. Photoacoustic guided ultrasound wavefront shaping for targeted acousto-optic imaging. Optics Express, 2013, 21(25): 30553–30562
doi: 10.1364/OE.21.030553 pmid: 24514632
98 Daoudi K, Hussain A, Hondebrink E, Steenbergen W. Correcting photoacoustic signals for fluence variations using acousto-optic modulation. Optics Express, 2012, 20(13): 14117–14129
doi: 10.1364/OE.20.014117 pmid: 22714476
99 Hussain A, Petersen W, Staley J, Hondebrink E, Steenbergen W. Quantitative blood oxygen saturation imaging using combined photoacoustics and acousto-optics. Optics Letters, 2016, 41(8): 1720–1723
doi: 10.1364/OL.41.001720 pmid: 27082328
100 Schytz H W, Guo S, Jensen L T, Kamar M, Nini A, Gress D R, Ashina M. A new technology for detecting cerebral blood flow: a comparative study of ultrasound tagged NIRS and 133Xe-SPECT. Neurocritical Care, 2012, 17(1): 139–145
doi: 10.1007/s12028-012-9720-2 pmid: 22610823
101 c-FLOWTM - Cerebral Perfusion Monitor- Ornim- Non Invasive Brain Monitoring | Brain Blood Flow | Cerebral Blood Flow, .
102 Tsalach A, Ratner E, Lokshin S, Silman Z, Breskin I, Budin N, Kamar M. Cerebral autoregulation real-time monitoring. PLoS One, 2016, 11(8): e0161907
doi: 10.1371/journal.pone.0161907 pmid: 27571474
103 Zhu L, Xie W, Li Z, Li H. Experimental study of ultrasound-modulated scattering light using different frequencies ultrasound probes. Chinese Optics Letters, 2014, 12(7): 071701–071703
doi: 10.3788/COL201412.071701
104 Cui M, Yang C. Implementation of a digital optical phase conjugation system and its application to study the robustness of turbidity suppression by phase conjugation. Optics Express, 2010, 18(4): 3444–3455
doi: 10.1364/OE.18.003444 pmid: 20389354
105 Singh M S, Kanhirodan R, Vasu R M, Roy D. Ultrasound modulation of coherent light in a multiple-scattering medium: experimental verification of nonzero average phase carried by light. Biomedical Optics Express, 2012, 3(9): 2100–2110
doi: 10.1364/BOE.3.002100 pmid: 23024904
106 Li J, Ku G, Wang L V. Ultrasound-modulated optical tomography of biological tissue by use of contrast of laser speckles. Applied Optics, 2002, 41(28): 6030–6035
doi: 10.1364/AO.41.006030 pmid: 12371565
107 Zhu L, Lin J, Lin B, Li H. Noninvasive blood glucose measurement by ultrasound-modulated optical technique. Chinese Optics Letters, 2013, 11(2): 021701–021705
doi: 10.3788/COL201311.021701
108 Gross M, Goy P, Al-Koussa M. Shot-noise detection of ultrasound-tagged photons in ultrasound-modulated optical imaging. Optics Letters, 2003, 28(24): 2482–2484
doi: 10.1364/OL.28.002482 pmid: 14690121
109 Gross M. Speckle decorrelation in ultrasound-modulated optical tomography made by heterodyne holography. 2016, arXiv preprint arXiv:1606.02902, 
110 Gross M, Ramaz F, Forget B, Atlan M, Boccara A, Delaye P, Roosen G. Theoretical description of the photorefractive detection of the ultrasound modulated photons in scattering media. Optics Express, 2005, 13(18): 7097–7112
doi: 10.1364/OPEX.13.007097 pmid: 19498733
111 Tay S, Blanche P A, Voorakaranam R, Tunç A V, Lin W, Rokutanda S, Gu T, Flores D, Wang P, Li G, St Hilaire P, Thomas J, Norwood R A, Yamamoto M, Peyghambarian N. An updatable holographic three-dimensional display. Nature, 2008, 451(7179): 694–698
doi: 10.1038/nature06596 pmid: 18256667
112 Lerosey G, Fink M. Acousto-optic imaging: Merging the best of two worlds. Nature Photonics, 2013, 7(4): 265–267
doi: 10.1038/nphoton.2013.74
113 He G S. Optical phase conjugation: principles, techniques, and applications. Progress in Quantum Electronics, 2002, 26(3): 131–191
doi: 10.1016/S0079-6727(02)00004-6
114 Ma C, Xu X, Wang L V. Analog time-reversed ultrasonically encoded light focusing inside scattering media with a 33000× optical power gain. Scientific Reports, 2015, 5(1): 8896
doi: 10.1038/srep08896 pmid: 25753905
115 Jayet B, Huignard J P, Ramaz F. Optical phase conjugation in Nd:YVO4 for acousto-optic detection in scattering media. Optics Letters, 2013, 38(8): 1256–1258
doi: 10.1364/OL.38.001256 pmid: 23595450
116 Khurgin J B. Slow light in various media: a tutorial. Advances in Optics and Photonics, 2010, 2(3): 287–318
doi: 10.1364/AOP.2.000287
117 Li Y, Zhang H, Kim C, Wagner K H, Hemmer P, Wang L V. Pulsed ultrasound-modulated optical tomography using spectral-hole burning as a narrowband spectral filter. Applied Physics Letters, 2008, 93(1): 011111
doi: 10.1063/1.2952489 pmid: 19079748
118 Li Y, Hemmer P, Kim C, Zhang H, Wang L V. Detection of ultrasound-modulated diffuse photons using spectral-hole burning. Optics Express, 2008, 16(19): 14862–14874
doi: 10.1364/OE.16.014862 pmid: 18795023
119 Racheli N, Ron A, Metzger Y, Breskin I, Enden G, Balberg M, Shechter R. Non-invasive blood flow measurements using ultrasound modulated diffused light. In: Proceedings of SPIE 8223, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing. 2012, 82232A
120 Ron A, Racheli N, Breskin I, Metzger Y, Silman Z, Kamar M, Nini A, Shechter R, Balberg M. Measuring tissue blood flow using ultrasound modulated diffused light. In: Proceedings of SPIE 8223, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing. 2012, 82232J
121 Rosenthal G, Furmanov A, Itshayek E, Shoshan Y, Singh V. Assessment of a noninvasive cerebral oxygenation monitor in patients with severe traumatic brain injury. Journal of Neurosurgery, 2014, 120(4): 901–907
doi: 10.3171/2013.12.JNS131089 pmid: 24484228
122 Schwarz M, Rivera G, Hammond M, Silman Z, Jackson K, Kofke W A. Acousto-optic cerebral blood flow monitoring during induction of anesthesia in humans. Neurocritical Care, 2016, 24(3): 436–441
doi: 10.1007/s12028-015-0201-2 pmid: 26399247
123 Hori D, Hogue C, Adachi H, Max L, Price J, Sciortino C, Zehr K, Conte J, Cameron D, Mandal K. Perioperative optimal blood pressure as determined by ultrasound tagged near infrared spectroscopy and its association with postoperative acute kidney injury in cardiac surgery patients. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery, 2016, 22(4): 445–451
doi: 10.1093/icvts/ivv371 pmid: 26763042
124 Hori D, Hogue C W Jr, Shah A, Brown C, Neufeld K J, Conte J V, Price J, Sciortino C, Max L, Laflam A, Adachi H, Cameron D E, Mandal K. Cerebral autoregulation monitoring with ultrasound-tagged near-infrared spectroscopy in cardiac surgery patients. Anesthesia and Analgesia, 2015, 121(5): 1187–1193
doi: 10.1213/ANE.0000000000000930 pmid: 26334746
125 Powell S, Leung T S. Linear reconstruction of absorption perturbations in coherent ultrasound-modulated optical tomography. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(12): 126020
doi: 10.1117/1.JBO.18.12.126020 pmid: 24381950
126 Powell S, Leung T S. Quantitative reconstruction of absorption and scattering coefficients in ultrasound-modulated optical tomography. In: Proceedings of SPIE 8943, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing.   2014, 89434X–89434X–89411
127 Powell S, Arridge S R, Leung T S. Gradient-based quantitative image reconstruction in ultrasound-modulated optical tomography: first harmonic measurement type in a linearised diffusion formulation. IEEE Transactions on Medical Imaging, 2016, 35(2): 456–467
doi: 10.1109/TMI.2015.2478742 pmid: 26390449
128 Bal G, Schotland J C. Inverse scattering and acousto-optic imaging. Physical Review Letters, 2010, 104(4): 043902
doi: 10.1103/PhysRevLett.104.043902 pmid: 20366712
129 Bal G, Moskow S. Local inversions in ultrasound-modulated optical tomography. Inverse Problems, 2014, 30(2): 025005
doi: 10.1088/0266-5611/30/2/025005
130 Bal G, Schotland J C. Ultrasound-modulated bioluminescence tomography. Physical Review E: Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 2014, 89(3): 031201
doi: 10.1103/PhysRevE.89.031201 pmid: 24730782
131 Bal G, Chung F J, Schotland J C. Ultrasound modulated bioluminescence tomography and controllability of the radiative transport equation. SIAM Journal on Mathematical Analysis, 2016, 48(2): 1332–1347
doi: 10.1137/15M1026262
132 Ammari H, Bossy E, Garnier J, Nguyen L, Seppecher L. A reconstruction algorithm for ultrasound-modulated diffuse optical tomography. Proceedings of the American Mathematical Society, 2014, 142(9): 3221–3236
doi: 10.1090/S0002-9939-2014-12090-9
133 Ammari H, Garnier J, Nguyen L H, Seppecher L. Reconstruction of a piecewise smooth absorption coefficient by an acousto-optic process. Communications in Partial Differential Equations, 2013, 38(10): 1737–1762
doi: 10.1080/03605302.2013.803483
134 Ammari H, Nguyen L H, Seppecher L. Reconstruction and stability in acousto-optic imaging for absorption maps with bounded variation. Journal of Functional Analysis, 2014, 267(11): 4361–4398
doi: 10.1016/j.jfa.2014.09.029
135 Huynh N T, He D, Hayes-Gill B R, Crowe J A, Walker J G, Mather M L, Rose F R, Parker N G, Povey M J, Morgan S P. Application of a maximum likelihood algorithm to ultrasound modulated optical tomography. Journal of Biomedical Optics, 2012, 17(2): 026014
doi: 10.1117/1.JBO.17.2.026014 pmid: 22463046
136 Allmaras M, Bangerth W. Reconstructions in ultrasound modulated optical tomography. Journal of Inverse and Ill-Posed Problems, 2011, 19(6): 801–823
doi: 10.1515/jiip.2011.050
137 Bratchenia A, Molenaar R, van Leeuwen T G, Kooyman R P H. Acousto-optic-assisted diffuse optical tomography. Optics Letters, 2011, 36(9): 1539–1541
doi: 10.1364/OL.36.001539 pmid: 21540920
138 Varma H M, Mohanan K P, Hyvönen N, Nandakumaran A K, Vasu R M. Ultrasound-modulated optical tomography: recovery of amplitude of vibration in the insonified region from boundary measurement of light correlation. Journal of the Optical Society of America A, Optics, Image Science, and Vision, 2011, 28(11): 2322–2331
doi: 10.1364/JOSAA.28.002322 pmid: 22048300
139 Mohanan K P, Nandakumaran A K, Roy D, Vasu R M. Ultrasound-modulated optical tomography: direct recovery of elasticity distribution from experimentally measured intensity autocorrelation. Journal of the Optical Society of America A, Optics, Image Science, and Vision, 2015, 32(5): 955–963
doi: 10.1364/JOSAA.32.000955 pmid: 26366922
Related articles from Frontiers Journals
[1] Yue FANG,Cuifang KUANG,Ye MA,Yifan WANG,Xu LIU. Resolution and contrast enhancements of optical microscope based on point spread function engineering[J]. Front. Optoelectron., 2015, 8(2): 152-162.
[2] Zhen WANG. Recent advances of optical imaging in animal stroke model[J]. Front Optoelec, 2013, 6(2): 134-145.
[3] ZHOU Liwei. On the theory of temporal aberrations for dynamic electron optics[J]. Front. Optoelectron., 2008, 1(1-2): 50-57.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed