Wideband मेडिकल इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए अल्ट्रासाउंड की ऑप्टिकल डिटेक्टर
Summary
यह अक्सर स्थिर पर्यावरण की स्थिति की आवश्यकता है क्योंकि अल्ट्रासाउंड का पता लगाने में ऑप्टिकल कई इमेजिंग परिदृश्यों में अव्यावहारिक है. हम प्रतिबंधात्मक परिदृश्यों, जैसे intravascular अनुप्रयोगों में optoacoustic इमेजिंग के लिए उपयुक्त miniaturization और संवेदनशीलता के स्तर के साथ अस्थिर वातावरण में अल्ट्रासाउंड संवेदन के लिए एक ऑप्टिकल तकनीक का प्रदर्शन.
Abstract
हाल ही में optoacoustic इमेजिंग के क्षेत्र में प्रदर्शन किया गया है के रूप में अल्ट्रासाउंड की ऑप्टिकल सेंसर, piezoelectric तकनीक के लिए एक आशाजनक विकल्प हैं. चिकित्सा अनुप्रयोगों में, ऑप्टिकल संवेदन प्रौद्योगिकी के प्रमुख सीमाओं में से एक का पता लगाने तर सकता है जो पर्यावरण की स्थिति, दबाव और तापमान में जैसे परिवर्तन, के लिए अपनी संवेदनशीलता है. इसके अतिरिक्त, नैदानिक वातावरण अक्सर संवेदक के आकार और मजबूती पर कड़े सीमा लगाता है. इस काम में, नाड़ी इंटरफेरोमेट्री और फाइबर आधारित ऑप्टिकल संवेदन के संयोजन अल्ट्रासाउंड का पता लगाने के लिए प्रदर्शन किया है. सभी फाइबर प्रौद्योगिकी का उपयोग ऐसे intravascular इमेजिंग के रूप में अत्यधिक मांग की चिकित्सा अनुप्रयोगों के साथ संगत यंत्रवत् लचीला संवेदन तत्व की ओर जाता है, जबकि पल्स इंटरफेरोमेट्री, पर्यावरण की स्थिति में तेजी से विविधताओं की उपस्थिति में readout प्रणाली के मजबूत प्रदर्शन सक्षम बनाता है. , एक छोटी सेंसर लंबाई प्राप्त करने के लिए एकगड़बड़ी चरण स्थानांतरित फाइबर Bragg झंझरी 350 माइक्रोन का एक प्रभावी लंबाई पर प्रकाश फँसाने एक गुंजयमान यंत्र के रूप में कार्य करता है, जो प्रयोग किया जाता है. उच्च बैंडविड्थ सक्षम करने के लिए सेंसर ऐसे intravascular इमेजिंग के रूप में परिधीय इमेजिंग geometries में अत्यधिक लाभकारी है जो अल्ट्रासाउंड की sideway का पता लगाने के लिए प्रयोग किया जाता है. एक optoacoustic इमेजिंग सेटअप विभिन्न पदों पर ध्वनिक बिंदु स्रोतों के लिए सेंसर की प्रतिक्रिया का निर्धारण करने के लिए प्रयोग किया जाता है.
Introduction
अल्ट्रासाउंड डिटेक्टरों कई इमेजिंग अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं. पारंपरिक, अल्ट्रासाउंड वोल्टेज संकेतों 1 में दबाव तरंगों को बदलने जो piezoelectric transducers, ने पता लगाया है. Optoacoustic इमेजिंग में अल्ट्रासाउंड उच्च शक्ति संग्राहक प्रकाश 2-6 से वस्तु को प्रकाशित करके थर्मल विस्तार की प्रक्रिया के माध्यम से उत्पन्न होता है. Piezoelectric transducers optoacoustic अनुप्रयोगों में पसंद की विधि हालांकि छोटी piezoelectric transducers अक्सर कम संवेदनशीलता की विशेषता है, क्योंकि उनके उपयोग अक्सर मुख्य रूप से miniaturization hinders. Piezoelectric transducers ऑप्टिकली अपारदर्शी हैं के बाद से ही, वे गंभीर रूप से प्रयोग करने योग्य इमेजिंग विन्यास के लिए संभावनाओं को सीमित करने, imaged वस्तु को प्रकाश वितरण के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं. ट्रांसड्यूसर को वस्तु से वापस बिखरे है कि प्रकाश भी अल्ट्रासाउंड की उचित सीमा का पता लगाने और कारण ऑप्टिकली प्रेरित parasit के लिए इमेजिंग प्रणाली के डिजाइन को मुश्किल हो सकती हैआईसी ट्रांसड्यूसर 7 का संकेत है.
अल्ट्रासाउंड की ऑप्टिकल डिटेक्टरों optoacoustic इमेजिंग परिदृश्यों 8-12 में कई लाभ प्रदान करता है कि piezoelectric transducers के लिए एक संभावित विकल्प के रूप में मान्यता दी गई है: वे अक्सर पारदर्शी होते हैं और आमतौर पर संवेदनशीलता की हानि के बिना छोटी की जा सकती है. ऑप्टिकल डिटेक्टरों का काम सिद्धांत की वजह से अल्ट्रासाउंड की उपस्थिति के लिए ऑप्टिकल माध्यम में बनाया मिनट विरूपण की interferometric पता लगाने है. अक्सर, ऑप्टिकल resonators ऑप्टिकल संकेत के चरण पर विरूपण के प्रभाव में वृद्धि इस प्रकार, विस्तारित अवधि के लिए परेशान माध्यम में प्रकाश को फँसाने द्वारा पता लगाने संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं. उन मामलों में, ऑप्टिकल पहचान योजनाओं सीधे गुंजयमान यंत्र में विकृतियों संरचना से संबंधित जो प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य में निगरानी विविधताओं पर आधारित हैं. सबसे अधिक, संकीर्ण linewidth निरंतर तरंग (CW) तकनीक एक स.ग. लेजर वें देखते है जो में उपयोग किया जाता हैई गूंज तरंगदैर्ध्य. प्रतिध्वनि में छोटे बदलाव इस प्रकार आसानी से नजर रखी जा सकती है, जो प्रेषित / परिलक्षित लेजर प्रकाश, की तीव्रता में बदलाव के कारण, प्रतिध्वनि भीतर लेजर के तरंगदैर्ध्य के सापेक्ष स्थिति को बदलने के तरंगदैर्ध्य. गूंज पारियों को भी मजबूत कर रहे हैं, तो हालांकि, जैसे गूंज प्रभावी ढंग डिटेक्टर 13 saturating, लेजर के तरंगदैर्ध्य से दूर पूरी तरह से बदलाव हो सकता है, दबाव, तापमान, या कंपन में बड़े बदलाव के कारण.
पल्स इंटरफेरोमेट्री 14 संकेत संतृप्ति की सीमा के लिए एक समाधान प्रदान करता है और अस्थिर पर्यावरणीय परिस्थितियों में अल्ट्रासाउंड का पता लगाने में सक्षम बनाता है. इसके विपरीत स.ग. योजनाओं-linewidth संकीर्ण करने के लिए, नाड़ी इंटरफेरोमेट्री गुंजयमान यंत्र रोशन करने के लिए एक wideband पल्स स्रोत कार्यरत हैं. गूंज बदलाव करते हुए इस मामले में, गुंजयमान यंत्र, इसकी गूंज आवृत्ति के अनुरूप है कि केवल उन तरंग दैर्ध्य संचारण, एक bandpass फिल्टर के रूप में कार्य करता है एकपुन: 14,15 वर्ग निकालना करने के लिए बंद एक मच-Zehnder व्यकिकरणमीटर का उपयोग करके जैसे गुंजयमान यंत्र के उत्पादन, पर ऑप्टिकल संकेत में तरंगदैर्ध्य बदलाव को मापने के द्वारा पता चला. एक स्वत: रीसेट सर्किट तुरंत यह कारण पर्यावरण की स्थिति में चरम बदलाव के लिए खो दिया है मामले में व्यकिकरणमीटर के काम बिंदु बहाल करने के लिए प्रयोग किया जाता है. क्योंकि स्रोत के अपेक्षाकृत व्यापक बैंडविड्थ की, प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य भी कठोर परिवेश परिस्थितियों में स्थिर डिटेक्टर आपरेशन सक्रिय करने, और भी मजबूत perturbations के तहत प्रबुद्ध बैंड के भीतर रहता है. पूछताछ, यानी ऑप्टिकल दालों, के लिए एक सुसंगत स्रोत का उपयोग कम शोर का पता लगाने की सुविधा है.
हमारे प्रयोगों में इस्तेमाल इसी नब्ज इंटरफेरोमेट्री प्रणाली चित्र 1 में दिखाया गया है. पूछताछ के लिए इस्तेमाल किया लेजर पल्स 100 से अधिक 60 मेगावाट और वर्णक्रमीय चौड़ाई की उत्पादन शक्ति के साथ 100 मेगाहर्ट्ज की पुनरावृत्ति दर पर 90 FSEC दालों का उत्पादनएनएम. ऑप्टिकल फिल्टर लगभग 0.4 एनएम के एक FWHM वर्णक्रमीय चौड़ाई था और प्रतिध्वनि की आवृत्ति से परिचित था. फिल्टर के बाद, एक ऑप्टिकल एम्पलीफायर को छानने में महत्वपूर्ण नुकसान के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. अतिरिक्त फ़िल्टरिंग एम्पलीफायर से परिलक्षित सहज उत्सर्जन को कम करने के प्रवर्धन चरण के बाद लागू किया गया था. हमारे प्रयोगों में इस्तेमाल किया गुंजयमान यंत्र विशेष रूप से अल्ट्रासाउंड संवेदन की चिकित्सा आवेदन के लिए Teraxion इंक द्वारा निर्मित एक अनुकरणीय चरण स्थानांतरित फाइबर Bragg झंझरी (π-डीसीएफ) 8, है, π-FBGs, सभी फाइबर घटकों होने का लाभ उठा रहे हैं और इस तरह मजबूत और छोटे. चित्रा 2 इस काम में इस्तेमाल ऑप्टिकल फाइबर के आयाम और एक 15 मेगाहर्ट्ज छोटी intravascular अल्ट्रासाउंड (IVUS) piezoelectric ट्रांसड्यूसर के बीच तुलना से पता चलता है. ऐसे तलीय waveguides में गढ़े सूक्ष्म अंगूठी resonators के रूप में कुछ वैकल्पिक गूंज आधारित पता लगाने दृष्टिकोण, घटक पर युग्मन फाइबर की आवश्यकताइनपुट और आउटपुट, ज्यादा नाजुक उपकरणों के लिए अग्रणी या miniaturization निरोधक या तो. इसके विपरीत, π-FBGs में फाइबर घटक हैं, और अतिरिक्त फाइबर युग्मन की आवश्यकता नहीं है. π-FBGs में गूंज उनके केंद्र में पीआई चरण में बदलाव के द्वारा बनाई गई है; प्रकाश झंझरी खुद की लंबाई की तुलना में काफी कम है, जो फाइबर का भाग अधिक पीआई चरण में बदलाव के आसपास फंस गया है. हमारे प्रयोगों में, π-डीसीएफ 4 मिमी और κ = 2 मिमी के युग्मन गुणांक की लंबाई थी -1 और इसकी संवेदनशीलता संवेदनशीलता तेजी κ की दर से झंझरी के केन्द्र से कम के साथ, इसकी लंबाई के साथ गैर समान रूप से वितरित किया गया . संवेदनशीलता वितरण (एसडी) की पूरी चौड़ाई साढ़े अधिकतम (FWHM) लगभग 350 मीटर था. झंझरी की गूंज चौड़ाई उसकी लम्बाई और निम्न समीकरण के अनुसार इसकी युग्मन गुणांक दोनों द्वारा निर्धारित किया जाता है:
<img alt="1 समीकरण" fo:content-width="1.5in" src= "/ Files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" चौड़ाई = "150" /> (1)
λ प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य है और एन जहां EFF फाइबर 8 में निर्देशित मोड के प्रभावी अपवर्तनांक है.
Π-डीसीएफ डिटेक्टर इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है का आकलन है कि अपने स्थानिक निर्भर प्रतिक्रिया एक व्यापक आवृत्ति बैंड पर मापा जाना चाहिए. हालांकि, इस कार्य को पारंपरिक ध्वनिक तकनीक का इस्तेमाल कर रहे हैं जब बेहद चुनौतीपूर्ण है. इसलिए हम पारदर्शी अगर में एम्बेडेड एक अंधेरे सूक्ष्म क्षेत्र एक optoacoustic बिंदु स्रोत के रूप में कार्य करता है, जिसमें अल्ट्रासाउंड डिटेक्टर लक्षण वर्णन 16 के लिए एक optoacoustic विधि को रोजगार. हमारे प्रयोग में, सूक्ष्म क्षेत्र लगभग 100 मीटर की एक व्यास की है और एक 10 हर्ट्ज की पुनरावृत्ति दर लगभग 8 nsec की नाड़ी की अवधि, और 200 मेगावाट की बिजली की औसत के साथ उच्च शक्ति nanosecond ऑप्टिकल दालों के साथ प्रकाशित किया जाता है. सूक्ष्म SPH में जमा ऑप्टिकल ऊर्जाERES optoacoustic प्रभाव के कारण ब्रॉडबैंड अल्ट्रासाउंड संकेतों उत्पन्न करता है. π-डीसीएफ डिटेक्टर अपने स्थानिक निर्भर ध्वनिक प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए सूक्ष्म क्षेत्र के लिए अपेक्षाकृत अनुवाद किया है. चित्रा 3 optoacoustic प्रयोग का एक उदाहरण से पता चलता है. आम तौर पर, इस तकनीक अल्ट्रासाउंड डिटेक्टरों के विभिन्न प्रकार चिह्नित करने के लिए नियोजित किया जा सकता.
Protocol
Representative Results
Discussion
अंत में, अल्ट्रासाउंड का पता लगाने के लिए एक नई ऑप्टिकल विधि एक π-डीसीएफ और नाड़ी इंटरफेरोमेट्री के संयोजन पर आधारित है, जो शुरू की है. तकनीक विशेष रूप से लगभग मनमाना वस्तु रोशनी पैटर्न में सक्षम बनाता ह?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
डॉ जर्मन रिसर्च फाउंडेशन (DFG) अनुसंधान अनुदान (आर ए 1848/1) और यूरोपीय अनुसंधान परिषद अनुदान शुरू से समर्थन मानता है. वी.एन. यूरोपीय अनुसंधान परिषद उन्नत अन्वेषक पुरस्कार से वित्तीय समर्थन मानता है, और चिकित्सा अवार्ड में BMBF अभिनव.
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 |
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