النطاق العريض للكشف عن الموجات فوق الصوتية البصرية للتطبيقات التصوير الطبي
Summary
كشف بصري الموجات فوق الصوتية غير عملي في العديد من السيناريوهات التصوير لأنه غالبا ما يتطلب الظروف البيئية المستقرة. ونحن لشرح تقنية البصرية للاستشعار الموجات فوق الصوتية في بيئات متقلبة مع التصغير وحساسية المستويات المناسبة للتصوير بصري سمعي في سيناريوهات التقييدية، مثل التطبيقات داخل الأوعية الدموية.
Abstract
أجهزة الاستشعار البصرية الموجات فوق الصوتية هي بديل واعد لتقنيات كهرضغطية، كما تبين مؤخرا في مجال التصوير بصري سمعي. في التطبيقات الطبية، واحدة من القيود الرئيسية لتكنولوجيا الاستشعار البصرية هو قابليته للظروف البيئية، مثل التغييرات في الضغط ودرجة الحرارة، والتي قد تشبع الكشف. بالإضافة إلى ذلك، والبيئة السريرية غالبا ما تفرض قيودا صارمة على حجم ومتانة من أجهزة الاستشعار. في هذا العمل، ويتجلى مزيج من التداخل النبض والمستندة إلى الألياف البصرية الاستشعار للكشف عن الموجات فوق الصوتية. التداخل نبض تمكن الأداء القوي للنظام قراءات في وجود اختلافات السريع في الظروف البيئية، في حين أن استخدام التكنولوجيا في جميع الألياف يؤدي إلى عنصر الاستشعار مرنة ميكانيكيا متوافق مع مطالبة غاية التطبيقات الطبية مثل التصوير داخل الأوعية الدموية. من أجل تحقيق طول استشعار قصيرة،يستخدم الألياف تحول بي-مرحلة براج صريف، الذي يعمل بمثابة مرنان محاصرة الضوء على مدى طول فعالة من 350 ميكرون. لتمكين عرض النطاق الترددي العالي، يتم استخدام جهاز استشعار للكشف الجانبي الموجات فوق الصوتية، وهو مفيد للغاية في هندستها التصوير كفافي مثل التصوير داخل الأوعية الدموية. يتم استخدام الإعداد التصوير بصري سمعي لتحديد الاستجابة للاستشعار عن مصادر نقطة الصوتية في مواقع مختلفة.
Introduction
كشف الموجات فوق الصوتية تلعب دورا رئيسيا في العديد من تطبيقات التصوير. تقليديا، يتم الكشف عن الموجات فوق الصوتية عن طريق محولات كهرضغطية، التي تحول موجات الضغط الى اشارات الجهد 1. في مجال التصوير بصري سمعي، يتم إنشاء الموجات فوق الصوتية من خلال عملية التمدد الحراري عن طريق إلقاء الضوء على الكائن مع قوة عالية التضمين ضوء 2-6. على الرغم من محولات كهرضغطية هي طريقة الاختيار في تطبيقات بصري سمعي، غالبا ما يعيق استخدامها التصغير وذلك أساسا بسبب غالبا ما تتميز محولات كهرضغطية المنمنمة التي كتبها حساسية منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، منذ محولات كهرضغطية هي مبهمة بصريا، وأنها قد تتداخل بشدة مع تسليم الضوء إلى كائن المصورة، مما يحد من إمكانيات التصوير تكوينات صالحة للاستعمال. قد الخفيفة التي تنتشر مرة أخرى من الكائن إلى محول يحد أيضا من الكشف الصحيح الموجات فوق الصوتية وتعقيد تصميم نظام التصوير بسبب parasit يسببها بصرياجيم يشير في محول 7.
وقد تم الاعتراف البصرية للكشف عن الموجات فوق الصوتية كبديل محتمل لمحولات كهرضغطية التي توفر العديد من الفوائد في سيناريوهات التصوير بصري سمعي 8-12: فإنها غالبا ما تكون شفافة وعادة ما يمكن المنمنمة دون فقدان للحساسية. مبدأ عمل أجهزة الكشف الضوئي هو كشف التداخل من تشوه دقيقة إنشاؤها في المتوسط البصرية نظرا لوجود الموجات فوق الصوتية. في كثير من الأحيان، وتستخدم مرنانات البصرية لتعزيز حساسية الكشف من خلال محاصرة ضوء في المتوسط قلق لفترات ممتدة، وبالتالي زيادة تأثير تشوه في مرحلة من الإشارات الضوئية. في تلك الحالات، وتستند خطط كشف بصري على الاختلافات الرصد في الطول الموجي صدى، والتي تتصل مباشرة إلى تشوهات في هيكل مرنان. الأكثر شيوعا، وتستخدم ضيق linewidth موجة مستمرة (CW) التقنيات التي يتم ضبطها ليزر CW إلى عشرةالطول الموجي صدى الإلكترونية. تحولات صغيرة في الطول الموجي صدى تغيير الوضع النسبي من الطول الموجي الليزر داخل الرنين، مما تسبب تغيرات في شدة المنقولة / ينعكس ضوء الليزر، والتي يمكن رصدها بسهولة. ومع ذلك، إذا التحولات بالرنين هي قوية جدا، على سبيل المثال بسبب اختلافات كبيرة في الضغط ودرجة الحرارة، أو الاهتزازات، صدى قد تحول بعيدا تماما من الطول الموجي لليزر، وتشبع فعال للكشف عن 13.
نبض التداخل 14 يقدم حلا إلى الحد من إشارة التشبع وتمكن الكشف عن الموجات فوق الصوتية تحت الظروف البيئية المتقلبة. وعلى النقيض من تضييق-linewidth مخططات CW، نبض التداخل توظف مصدر النبض النطاق العريض لإلقاء الضوء على مرنان. في هذه الحالة، يعمل مرنان بمثابة ممر الموجة مرشح، يحيل فقط تلك الموجات التي تتوافق مع تردد صدى لها، في حين يحول الرنين علىإعادة الكشف عن طريق قياس الطول الموجي الاختلافات في الإشارات الضوئية في الإخراج مرنان، وعلى سبيل المثال باستخدام تداخل ماخ زيندر مقفل لالتربيع 14،15. يتم استخدام الدوائر إعادة تعيين تلقائي لاستعادة نقطة تداخل عمل فورا في حالة فقدانها بسبب الاختلاف الشديد في الظروف البيئية. لأن من عرض النطاق الترددي واسعة نسبيا من المصدر، والطول الموجي صدى يبقى داخل الفرقة مضيئة حتى في ظل الاضطرابات قوية، وتمكين عملية مستقرة كاشف حتى في ظل الظروف المحيطة قاسية. استخدام مصدر متماسكة للاستجواب، أي نبضات ضوئية، ويسهل الكشف منخفضة الضوضاء.
يظهر الموافق نظام التداخل نبض المستخدمة في تجاربنا في الشكل 1. الليزر المستخدمة في الاستجواب نبض تنتج 90 نبضات FSEC بمعدل تكرار 100 ميغاهرتز مع انتاج الطاقة من 60 ميغاواط والعرض الطيفي لأكثر من 100نانومتر. كان مرشح بصري بعرض الطيفية FWHM ما يقرب من 0.4 نانومتر، وكان ضبطها لتردد الرنين. بعد التصفية، تم استخدام مكبر للصوت البصرية للتعويض عن خسائر كبيرة في التصفية. تم تطبيق تصفية إضافية بعد مرحلة التضخيم للحد من الانبعاثات عفوية تضخيمها من مكبر للصوت. مرنان المستخدمة في تجاربنا هو بي-تحولت المرحلة الألياف براج صريف (π-FBG) 8، المصنعة من قبل شركة Teraxion بخاصة للاستخدامات الطبية الاستشعار بالموجات فوق الصوتية، FBGs π أن يكون صالح كونها مكونات كل من الألياف، وبالتالي يظهر قوية وصغيرة. الشكل 2 مقارنة بين أبعاد الألياف البصرية المستخدمة في هذا العمل و15 ميغاهيرتز الموجات فوق الصوتية داخل الأوعية المنمنمة (IVUS) محول كهرضغطية. كشف بعض المناهج البديلة القائمة على الرنين، مثل مرنانات حلقة صغيرة التجهيز في الدليل الموجي مستو، تتطلب الألياف اقتران في المكونالمدخلات والمخرجات، إما تؤدي إلى أجهزة أكثر هشاشة أو إعاقة التصغير. في المقابل، FBGs π هي مكونات الألياف في، ولا تتطلب اقتران الألياف إضافية. يتم إنشاء صدى في FBGs π من قبل مرحلة التحول بي في مركزهم؛ هو المحاصرين الضوء حول مرحلة التحول بي على جزء من الألياف التي هي أقصر بكثير من طول صريف نفسها. في تجاربنا، وكان π-FBG بطول 4 مم ومعامل اقتران κ = 2 مم -1 و تم توزيع حساسيتها غير موحد على طوله، مع حساسية خفض بشكل كبير من المركز صريف مع معدل κ . كان ذات العرض الكامل نصف الحد الأقصى، (FWHM) من توزيع حساسية (SD) حوالي 350 ميكرون. يتم تحديد عرض صدى صريف من قبل كل من طولها ومعامل اقتران وفقا للمعادلة التالية:
<img alt="المعادلة 1" fo:content-width="1.5in" src= "/ files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" العرض = "150" /> (1)
حيث λ هي الطول الموجي صدى ون ممثل المؤسسة هو مؤشر الانكسار الفعال لوضع تسترشد في الألياف 8.
لتقييم ما إذا كان كشف π-FBG غير مناسبة لتطبيقات التصوير، يحتاج ردها تعتمد مكانيا إلى أن يقاس على مدى نطاق الترددات واسعة. ومع ذلك، هذه المهمة صعبة للغاية عندما تستخدم التقنيات الصوتية التقليدية. لذا نحن توظيف أسلوب بصري سمعي للكشف عن الموجات فوق الصوتية توصيف 16 فيه المجال المجهري الظلام جزءا لا يتجزأ من أجار شفافة بمثابة مصدر نقطة بصري سمعي. في تجربتنا، المجال المجهرية التي يبلغ قطرها حوالي 100 ميكرون ومضاءة مع نبضات ضوئية النانوسيكند الطاقة العالية مع معدل تكرار 10 هرتز، ومدة نبض حوالي 8 NSEC، ومتوسط القوة من 200 ميغاواط. الطاقة الضوئية المودعة في SPH المجهريةإزدان العقارية يولد إشارات الموجات فوق الصوتية ذات النطاق العريض نظرا لتأثير بصري سمعي. يتم تفعيل كاشف π-FBG نسبيا في المجال المجهري للحصول على ردها الصوتية تعتمد مكانيا. ويبين الشكل 3 مثالا من التجربة بصري سمعي. عموما، هذه التقنية يمكن استخدامها لوصف أنواع مختلفة من أجهزة الكشف عن الموجات فوق الصوتية.
Protocol
Representative Results
Discussion
في الختام، هو عرض طريقة جديدة للكشف البصري الموجات فوق الصوتية، والتي تقوم على مزيج من π-FBG ونبض التداخل. يناسب تقنية خاصة لتطبيقات التصوير بصري سمعي نظرا لشفافية عنصر الاستشعار عن بعد، والتي تمكن التعسفي تقريبا أنماط الإضاءة الكائن. في المقابل، كشف الموجات فوق الصو?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويقر الدكتور بدعم من المؤسسة الألمانية للبحوث (DFG) بحوث غرانت (RA 1848/1) ومجلس البحوث الأوروبي ابتداء غرانت. يقر VN الدعم المالي من جائزة المجلس الأوروبي للبحوث باحث متقدم، والابتكار في BMBF في جائزة الطب.
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 |
References
- Hunt, J. W. Ultrasound transducers for pulse-echo medical imaging. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 30, 453-481 (1983).
- Razansky, D. Multispectral opto-acoustic tomography of deep-seated fluorescent proteins in vivo. Nature Photon. 3, 412-417 (2009).
- Ntziachristos, V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nature Methods. 7, 603-614 (2010).
- Wang, L. H., Hu, S. Photoacoustic tomography: In vivo imaging from organelles to organs. Science. 23, 1458-1462 (2012).
- Sethuraman, S. Photoacoustic imaging using an IVUS imaging catheter. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 54, 978-986 (2007).
- Rosenthal, A. Optoacoustic methods for frequency calibration of ultrasonic sensors. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 58, 316-326 (2011).
- Rosenthal, A. High-sensitivity compact ultrasonic detector based on a pi-phase-shifted fiber Bragg grating. Optics Letters. 36, 1833-1835 (2011).
- Beard, P. C., Mills, T. N. Extrinsic optical fibre ultrasound sensor using a thin polymer film as a low finesse Fabry-Perot interferometer. Applied Optics. 35, 663-675 (1996).
- Xiong Pernice, W. H. P., Tang, C., X, H. High Q micro-ring resonators fabricated from polycrystalline aluminum nitride films for near infrared and visible photonics. Optics Express. 20, 12261-12269 (2012).
- Zhang, E. Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner using a planar Fabry-Perot polymer film ultrasound sensor for high-resolution three-dimensional imaging of biological tissues. Applied Optics. 47, 561-577 (2008).
- Grün, H. Three-dimensional photoacoustic imaging using fiber-based line detectors. Journal of Biomedical Optics. 15, 021306-02 (2010).
- Avino, S. Musical instrument pickup based on a laser locked to an optical fiber resonator. Optics. Express. 19, 25057-25065 (2011).
- Rosenthal, A. Wideband optical sensing using pulse interferometry. Optics Express. 20, 19016-19029 (2012).
- Rosenthal, A. Wideband fiber-interferometer stabilization with variable phase. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1499-1501 (2012).
- Rosenthal, A. Spatial characterization of the response of a silica optical fiber to wideband ultrasound. Optics Letters. 37, 15-3174 (2012).
- Rosenthal, A., Razansky, D., Ntziachristos, V. Model-based optoacoustic inversion with arbitrary-shape detectors. Medical Physics. 38, 4285-4295 (2011).
