Wideband optisk detektor af ultralyd til medicinsk billedbehandling

Summary

Optisk detektion af ultralyd er upraktisk i mange billeddannende scenarier, fordi det ofte kræver stabile miljøforhold. Vi viser en optisk teknik til ultralyd sensing i flygtige miljøer med miniaturisering og følsomhed niveauer passende for optoacoustic billeddannelse i restriktive scenarier, fx intravaskulære applikationer.

Abstract

Optiske sensorer ultralyd er et lovende alternativ til piezoelektriske teknikker, som for nylig er blevet påvist inden for optoacoustic billeddannelse. I medicinske anvendelser, en af de vigtigste begrænsninger for optiske sensorer teknologi er dens følsomhed over for miljømæssige forhold, fx ændringer i tryk og temperatur, som kan mætte detektion. Derudover klinisk miljø ofte pålægger strenge grænser for størrelsen og robustheden af ​​sensoren. I dette arbejde er en kombination af puls interferometri og fiberbaserede optiske sensorer demonstreret for ultralyd detektion. Pulse interferometri muliggør robust ydeevne tæller systemet i nærværelse af hurtige variationer i miljøforholdene, hvorimod brugen af ​​all-fiber teknologi fører til et mekanisk fleksibelt følerelement kompatibelt med meget krævende medicinske applikationer såsom intravaskulær billeddannelse. For at opnå en kort sensor længde, enpi-faseforskudt fiber-Bragg-gitter er brugt, der virker som en resonator opfange lys over en effektiv længde på 350 um. At give høj båndbredde er sensoren anvendes til sideværts påvisning af ultralyd, hvilket er yderst fordelagtigt rundtgående imaging geometrier såsom intravaskulær billeddannelse. En optoacoustic imaging setup bruges til at bestemme svaret fra sensor til akustiske punktkilder på forskellige positioner.

Introduction

Ultralyd detektorer spiller en central rolle i mange billedbehandlingsprogrammer. Konventionelt ultralyd detekteres af piezoelektriske transducere, der omdanner trykbølger i spændingssignaler ^1. I optoacoustic billedbehandling, er ultralyd genereres via en proces af termisk ekspansion ved at belyse objektet med high-power moduleret lys ^2-6. Selvom piezoelektriske transducere er den foretrukne metode i optoacoustic applikationer, deres anvendelse ofte hindrer miniaturisering hovedsagelig fordi miniaturiserede piezoelektriske transducere ofte kendetegnet ved en lav følsomhed. Derudover, da piezoelektriske transducere er optisk uigennemsigtigt, kan de alvorligt forstyrre lys levering til afbildet objekt, begrænser mulighederne for anvendelige imaging konfigurationer. Lys, der tilbagekastet fra objektet til transduceren kan også begrænse den korrekte detektion af ultralyd og komplicerer udformningen af ​​den billeddannende system på grund af optisk induceret parasitic signaler i transduceren ^7.

Optiske detektorer af ultralyd er blevet anerkendt som et muligt alternativ til piezoelektriske transducere, der giver mange fordele i optoacoustic billedbehandling scenarier ^8-12: De er ofte gennemsigtig og kan normalt miniature uden tab af følsomhed. Funktionsprincip af optiske detektorer er interferometrisk påvisning af minut deformation skabt i det optiske medium på grund af tilstedeværelsen af ​​ultralyd. Ofte er optiske resonatorer anvendes til at øge følsomhed ved at fange lys i perturbed medium for forlængede tidsfrister, hvilket øger effekten af ​​deformation på fasen af ​​det optiske signal. I disse tilfælde, er optisk detektion ordninger baseret på overvågning variationer i resonans bølgelængde, som direkte vedrører strukturere deformationer i resonator. Mest almindeligt er smalle linewidth kontinuerlig bølge (CW) teknikker, der anvendes, hvor en CW laser er tunet til the resonans bølgelængde. Små ændringer i resonans bølgelængde ændre den relative position af laserens bølgelængde inden for resonans, hvilket forårsager variationer i intensiteten af ​​det transmitterede / reflekteret laserlys, som let kan overvåges. Men hvis resonans skift er for stærk, fx på grund af store variationer i tryk, temperatur eller vibrationer, resonans kan skifte helt væk fra laserens bølgelængde, effektivt mætte detektoren ^13.

Pulse interferometri ¹⁴ tilbyder en løsning til begrænsning af signalmætning og muliggør ultralyd detektering under volatile miljøforhold. I modsætning til smalle linewidth CW ordninger, puls interferometri beskæftiger en bredbånds puls kilde til at belyse resonator. I dette tilfælde resonator fungerer som et båndpasfilter, transmission kun de bølgelængder, der svarer til dens resonansfrekvens, medens resonans forskyder enre påvises ved måling bølgelængde variationer i det optiske signal på resonatoren produktion, fx ved hjælp af en Mach-Zehnder interferometer låst til Quadrature ^14,15. En automatisk reset kredsløb bruges til straks genoprette interferometeret arbejdstid punkt i sagen er det tabt på grund af ekstreme variation i miljøforhold. På grund af den relativt brede båndbredde kilden resonans bølgelængde holder sig inden for det belyste bånd selv under kraftige perturbationer muliggør stabil detektor drift, selv under barske omgivelsesbetingelser. Brugen af et sammenhængende kilde til søgninger, dvs optiske pulser, letter påvisning støjsvag.

Den tilsvarende puls interferometry system, der anvendes i vores eksperimenter er vist i figur 1.. Pulsen laser, der anvendes til forhør producerede 90 fsec impulser ved en gentagelse på 100 MHz med en udgangseffekt på 60 mW og spektral bredde på over 100nm. Det optiske filter havde en FWHM spektral bredde på ca 0,4 nm og er indstillet på frekvensen af ​​resonans. Efter filteret blev en optisk forstærker til at kompensere for det betydelige tab af filtreringen. Ekstra filtrering blev anvendt efter forstærkning scenen for at reducere forstærket spontan emission fra forstærkeren. Resonator bruges i vores eksperimenter er en pi-faseforskudt fiber Bragg-gitter (π-FBG) ^8, fremstillet af Teraxion Inc. Især for den medicinske anvendelse af ultralyd sensing, π-FBG'erne har gavn af at være all-fiber komponenter, og dermed robust og små. Figur 2 viser en sammenligning mellem dimensionerne af den optiske fiber, der anvendes i dette arbejde, og en 15 MHz miniaturiseret intravaskulær ultralyd (IVUS) piezoelektrisk transducer. Nogle alternative resonans-baserede sporingstilgange, såsom mikro-ring resonatorer fremstillet i plane bølgeledere, kræver koblings fibre på komponentensinput og output, enten fører til mere skrøbelige enheder eller forhindre miniaturisering. I modsætning hertil π-FBG'erne er fibre komponenter og kræver ikke yderligere fiber kobling. Den resonans i π-FBG'erne er skabt af pi faseskift i deres center; lyset, er fanget omkring pi faseskift løbet del af fiberen, som er betydeligt kortere end længden af ​​gitteret selv. I vores eksperimenter, den π-FBG havde en længde på 4 mm og kobling koefficient på κ = 2 mm ^-1 og dens følsomhed blev fordelt uensartet langs dens længde, med følsomhed eksponentielt aftagende fra risten centrum med en hastighed på κ . Den fulde bredde halvt maksimum (FWHM) følsomhed distribution (SD) var ca 350 um. Den resonans bredde af gitteret bestemmes af både dens længde og dens kobling koefficient i overensstemmelse med følgende ligning:

<img alt="Ligning 1" fo:content-width="1.5in" src= "/ Files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" width = "150" /> (1)
hvor λ er resonans bølgelængde og n _eff er det effektive brydningsindeks for den tilstand styres i fiberen ^8.

For at vurdere, om π-FBG detektor er egnet til billeddannelse applikationer skal måles over et bredt frekvensbånd sin rumligt afhængige respons. Denne opgave er imidlertid yderst udfordrende, når der anvendes konventionelle akustiske teknikker. Vi har derfor ansætte en optoacoustic metode til ultralyd detektor karakterisering ^16, hvor en mørk mikroskopisk kugle indlejret i gennemsigtig agar fungerer som en optoacoustic punktkilde. I vores eksperiment mikroskopisk kugle har en diameter på omkring 100 um og er belyst med høj effekt nanosekund optiske pulser med en gentagelseshastighed på 10 Hz, impulsvarighed på cirka 8 ns, og gennemsnitlig effekt på 200 mW. Den optiske energi deponeres i det mikroskopiske SPHeres genererer bredbånd ultralyd-signaler på grund af optoacoustic virkning. Den π-FBG detektor er oversat i forhold til den mikroskopiske kugle for at få sin rumligt afhængig akustiske respons. Figur 3 viser en illustration af optoacoustic eksperiment. Generelt kan denne teknik anvendes til at karakterisere forskellige typer af ultralyd detektorer.

Protocol

1. Optoacoustic karakterisering af π-FBG Detector Udarbejdelse af en mikroskopisk kugle suspenderet agar: Bland agar pulver (1,3 vægt%) med destilleret vand i et bægerglas. Brug en varmeplade magnetisk omrører enhed til at opvarme den løsning, tæt til kogepunktet og opløse agarpulver indtil opløsningen bliver klar og fri for luftbobler. Alternativt kan agaropløsning opvarmes ved brug af en konventionel mikrobølgeovn med omrøring udføres manuelt ved hjælp af en glasomrører. Hæld den var…

Representative Results

4a og 4b viser henholdsvis signaler og deres tilsvarende spektre fra det mikroskopiske område i en afstand af 1 mm fra fiber til tre forskydninger fra midten af π-FBG. Forskydningerne er givet i z-retningen, som afbildet i fig. 3. Det er klart, Den optiske detektor følsomhed højfrekvent ultralyd (f> 6 MHz) er anisotropisk og er størst, når midten af π-FBG er direkte over det mikroskopiske område . Trods høj akustisk impedans mismatch mellem silica fiber og v…

Discussion

Konklusionen er, at en ny optisk metode til ultralyd detektering introduceret, som er baseret på en kombination af en π-FBG og puls interferometri. Teknikken er specielt velegnet til optoacoustic billedbehandlingsprogrammer på grund af gennemsigtigheden af ​​sensing element, der giver et næsten vilkårlige objekt belysningsmønstre. I modsætning hertil, standard piezoelektriske baseret ultralyd detektorer er uigennemsigtige og dermed blokere nogle af de optiske veje til afbildet objekt, hvilket fører til volum…

Materials

π-FBG	Teraxion Inc.		Custom made device
microscopic sphere	Cospheric LLC	BKPMS 90-106um- 10g	100 µm polyethylene microsphere
Femto-second pulse laser used for interrogation	Menlo Systems GmbH	T-Light Femtosecond Laser
Optical filter	Optoplex Corporation	2-Port Optical Tunable Filter (50 GHz)
Optical amplifier	Amonics	AEDFA-PM-PA-35-B-FC	Benchtop 35dB Gain Pre Amp Polarization Maintaining EDFA
50/50 coupler	OZ-Optics	FUSED-22-1550-8/125-50/50-3S3S3S3S-3-0.5-PM	Fused 2×2 fiber splitter with 0.5 meter long, 3mm OD PVC jacketed 1550nm 8/125μ PM fiber pigtails, 50/50 split ratio in the slow axes of PM fibers and with super FC/PC connectors on all ports.
Fiber holder	Thorlabs	T711/M-250	Metric, Post-Mountable Fiber Clamp, 250 µm
Agar for microbiology	Sigma Aldrich	05039-500G
Nano-second pulse laser used for generating the optoacoustic signals	Opotek	VIBRANT Arrow 532 type I
Graphite rod	Faber-Castell	120700	Faber-Castell Pencil Leads – 0.7 mm