Wideband optisk detektor av ultraljud för medicinsk bildåtergivning

Summary

Optisk detektering av ultraljud är opraktiskt i många avbildnings scenarier eftersom det kräver ofta stabila miljöförhållanden. Vi visar en optisk teknik för ultraljud avkänning av flyktiga miljöer med miniatyrisering och känslighetsnivåer lämpliga för optoakustisk avbildning i restriktiva scenarier, t.ex. intravaskulära tillämpningar.

Abstract

Optiska sensorer av ultraljud är ett lovande alternativ till piezoelektriska tekniker, såsom har nyligen demonstrerats i området för optoakustisk avbildning. I medicinska tillämpningar, är en av de viktigaste begränsningarna för optisk avkänning teknik dess känslighet för miljöförhållanden, t.ex. förändringar i tryck och temperatur, vilket kan mätta upptäckt. Dessutom ställer den kliniska miljön ofta stränga gränser för storlek och robusthet av sensorn. I detta arbete är kombinationen av puls interferometri och fiberbaserad optisk avkänning visats för ultraljudsdetektering. Puls interferometri möjliggör robusta prestanda avläsningssystemet i närvaro av snabba variationer i miljöförhållanden, medan användningen av all-fiberteknologi leder till ett mekaniskt flexibel mätelement kompatibel med mycket krävande medicinska tillämpningar såsom intravaskulär avbildning. För att uppnå en kort sensorlängd, enpi-fasförskjutna fiber Bragg-gitter används, som fungerar som en resonator infångning ljus över en effektiv längd av 350 | im. För att möjliggöra hög bandbredd, är sensorn används för sidled upptäckt av ultraljud, vilket är till stor nytta i omkretsavbildningsgeometrier såsom intravaskulär avbildning. En optoakustisk imaging inställning används för att bestämma svaret hos sensorn för akustisk punktkällor vid olika positioner.

Introduction

Ultraljud detektorer har en nyckelroll i många bildprogram. Konventionellt ultraljud detekteras av piezoelektriska givare, vilka omvandlar tryckvågorna till spänningssignaler ^1. I optoakustisk avbildning, är ultraljud genereras genom en process av termisk expansion genom att belysa objektet med hög effekt modulerat ljus ^2-6. Även piezoelektriska givare är den metod som föredras i optoakustisk applikationer, hindrar användningen ofta miniatyrisering främst eftersom miniatyriserade piezoelektriska givare ofta kännetecknas av låg känslighet. Dessutom, eftersom piezoelektriska givare är optiskt ogenomskinliga, de kan allvarligt störa ljus leverans till avbildade objektet, vilket begränsar möjligheterna för användbara avbildningskonfigurationer. Ljus som back-spridda från objektet till givaren kan också begränsa korrekt upptäckt av ultraljud och komplicera utformningen av avbildningssystemet på grund av optiskt inducerad parasitic signalerar i givaren ^7.

Optiska detektorer av ultraljud har erkänts som ett möjligt alternativ till piezoelektriska givare som erbjuder många fördelar i optoakustisk avbildningsscenarier ^8-12: De är ofta öppna och kan oftast miniatyriserade utan förlust av känslighet. Funktionsprincipen för optiska detektorer är interferometrisk detektering av minut deformation skapas i det optiska mediet till följd av närvaron av ultraljud. Ofta är optiska resonatorer användas för att förbättra detekteringskänsligheten genom att fånga ljus i det störda mediet under längre löptider, vilket ökar effekten av deformationen på fasen för den optiska signalen. I dessa fall är att optiska detekteringsscheman baserat på övervakningsvariationer i resonansvåglängd, som direkt relaterar till strukturera deformationer i resonatorn. Vanligast är smal linjebredd kontinuerlig mod (CW) metoder som används i vilken en CW-laser är avstämd till the resonansvåglängden. Små förändringar i resonansvåglängden ändras det relativa läget för laserns våglängd inom resonans och därmed orsaka variationer i intensiteten av den transmitterade / reflekterat laserljus, som lätt kan övervakas. Men om resonansskift är för starka, t.ex. på grund av stora variationer i tryck, temperatur eller vibrationer, resonansen kan ändras helt borta från laserns våglängd, effektivt mätta detektorn ^13.

Puls interferometri ¹⁴ erbjuder en lösning på begränsning av signal mättnad och gör ultraljud upptäckt i flyktiga miljöförhållanden. I motsats till smallinjebredden CW system, använder puls interferometri en bredbandig puls källa för att belysa resonator. I detta fall fungerar resonatorn såsom ett bandpassfilter, överföra endast de våglängder som motsvarar dess resonansfrekvens, medan den resonans skiftar enåter detekteras genom att mäta våglängds variationer i den optiska signalen vid resonatorns utgång, t.ex. genom användning av en Mach-Zehnder-interferometer låst till kvadratur ^14,15. En automatisk återställningskrets används för att omedelbart återställa interferometern arbetspunkten i fallet det förloras på grund av extrema variationer i miljöförhållanden. På grund av den relativt breda bandbredden hos källan, stannar resonansvåglängd inom det belysta bandet även under starka störningar, vilket möjliggör stabil detektor drift även under svåra omgivningsförhållanden. Användningen av en enhetlig källa för förhör, dvs optiska pulser, underlättar låg brusdetektering.

Motsvarande puls interferometri som används i våra experiment visas i figur 1. Puls laser som används för förhör producerade 90 fsec pulser med en repetitionsfrekvens på 100 MHz med en uteffekt på 60 mW och spektral bredd på över 100nm. Det optiska filtret hade en FWHM spektral bredd på ungefär 0,4 nm och var avstämd till frekvensen hos den resonans. Efter filtrering gjordes en optisk förstärkare som används för att kompensera för den betydande minskningen av den filtrering. Ytterligare filtrering applicerades efter förstärkningssteget för att minska förstärkt spontan emission från förstärkaren. Den resonator som används i våra experiment är en pi-fasförskjuten fiber Bragg-gitter (π-FBG) ^8, som tillverkas av Teraxion Inc. Särskilt för den medicinska tillämpningen av ultraljud avkänning, π-FBGs har fördelen av att vara all-fiberkomponenter, och därmed robust och små. Figur 2 visar en jämförelse mellan de dimensioner optiska fiber som används i detta arbete och en 15 MHz miniatyriserad intravaskulärt ultraljud (IVUS) piezoelektriska givare. Några alternativa resonans-baserade upptäckt metoder, till exempel mikro ringresonatorer tillverkade i plana vågledare, kräver kopplings fibrer på komponentensingång och utgång, antingen leda till mer ömtåliga enheter eller hindrar miniatyrisering. Däremot π-FBGs är i-fiberkomponenter, och inte kräver ytterligare fiberkoppling. Resonansen i π-FBGs skapas av pi fasförskjutning i sitt centrum; ljus fångas runt pi fasförskjutning över del av fibern som är väsentligt kortare än längden hos gittret självt. I våra experiment, att π-FBG hade en längd av 4 mm och kopplingskoefficienten κ = 2 mm ^-1 och dess känslighet var ojämnt fördelade längs dess längd, med känsligheten exponentiellt minskar från gallret centrum med en hastighet av κ . Den full bredd halv-maximum (FWHM) av känslighetsfördelning (SD) var cirka 350 nm. Resonans bredd av gittret bestäms genom både dess längd och dess kopplingskoefficienten i enlighet med följande ekvation:

<img alt="Ekvation 1" fo:content-width="1.5in" src= "/ Files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" width = "150" /> (1)
där λ är resonansvåglängden och _neff är det effektiva brytningsindexet för moden styrs i fibern ^8.

För att bedöma om π-FBG detektor är lämplig för bildprogram, behöver sin rumsligt beroende reaktion som ska mätas över ett brett frekvensband. Dock är denna uppgift mycket utmanande när konventionella akustiska tekniker används. Vi använder därför en optoakustisk metod för ultraljudsdetektor karakterisering ^16, där en mörk mikroskopisk sfär inbäddad i transparent agar fungerar som en optoakustisk punktkälla. I vårt experiment, har den mikroskopiska sfären en diameter av ca 100 ^ m och är belyst med hög effekt nanosekund optiska pulser med en repetitionsfrekvens av 10 Hz, pulsvaraktighet på cirka 8 nsek, och medeleffekt på 200 mW. Den optiska energin som deponeras i den mikroskopiska sferes genererar bredbandsultraljudssignaler på grund av det optoakustisk effekt. Den π-FBG detektor sätts i förhållande till den mikroskopiska sfären för att få sin rumsligt beroende akustisk respons. Figur 3 visar en illustration av den optoakustisk experimentet. I allmänhet kan denna teknik användas för att karakterisera olika typer av ultraljudsdetektorer.

Protocol

1. Optoakustisk Karakterisering av π-FBG Detector Beredning av en mikroskopisk sfär upphängd i agar: Blanda agar-pulver (1,3 vikt-%) med destillerat vatten i en glasbägare. Använd en värmeplatta magnetisk-omrörare anordning för uppvärmning av lösningen nära kokpunkten och lös agarpulver tills lösningen blir klar och fri från luftbubblor. Alternativt kan agarlösning värmas med hjälp av en konventionell mikrovågsugn med omrörning utförs manuellt med hjälp av en glasstav. Häll den …

Representative Results

Figurerna 4a och 4b visar respektive signalerna och deras motsvarande spektra från det mikroskopiska området på ett avstånd av 1 mm från den fiber för tre förskjutningar från centrum av π-FBG. De förskjutningar ges i z-riktningen, såsom visas i fig 3. Det är uppenbart att den optiska detektorns känslighet för högfrekvent ultraljud (f> 6 MHz) anisotropa och är högst när centrum av π-FBG är direkt ovanför den mikroskopiska sfär . Trots den höga a…

Discussion

Sammanfattningsvis är en ny optisk metod för ultraljudsdetektering infördes, som bygger på en kombination av en π-FBG och puls interferometri. Tekniken är speciellt lämpad för optoakustisk bildprogram grund av öppenheten i sensorelementet, som gör nästan godtyckliga objekt belysningsmönster. Däremot vanliga piezoelektriska baserad ultraljudsdetektorer är ogenomskinliga och därmed blockera några av de optiska banor till den avbildade objektet, vilket leder till skrymmande avbildning inställningar. Den ut…

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