Wideband גלאי אופטיים של אולטראסאונד ליישומי הדמיה רפואית
Summary
זיהוי אופטי של אולטרסאונד אינו מעשי בתרחישי הדמיה רבים משום שלעתים קרובות דורש תנאי סביבה יציבים. אנו מדגימים טכניקה אופטית לחישת אולטרסאונד בסביבות תנודתי עם רמות מזעור והרגישות מתאימות להדמית optoacoustic בתרחישים מגבילים, כגון יישומי intravascular.
Abstract
חיישנים אופטיים של אולטרסאונד הם חלופה מבטיחה לטכניקות פיזואלקטריים, כפי שהודגם לאחרונה בתחום של ההדמיה optoacoustic. ביישומים רפואיים, אחת המגבלות העיקריות של טכנולוגיית חישה האופטית הוא הרגישות שלו לתנאים סביבתיים, כגון שינויים בלחץ וטמפרטורה, אשר עשוי להרוות את זיהוי. בנוסף, הסביבה הקלינית לעתים קרובות מטילה מגבלות מחמירות על הגודל וביציבות של החיישן. בעבודה זו, השילוב של אינטרפרומטריה דופק וחישה אופטית מבוסס סיבים הוא הוכיח לגילוי אולטרסאונד. אינטרפרומטריה Pulse מאפשרת ביצועים חזקים של מערכת קריאת הנתונים בנוכחות וריאציות מהירה בתנאים הסביבתיים, ואילו השימוש בטכנולוגיה כל הסיב מוביל לאלמנט חישת גמישות מכאנית בקנה אחד עם יישומים רפואיים מאוד תובעניים כגון הדמיה intravascular. על מנת להשיג אורך חיישן קצר,משמש צורם בראג סיבים מוזזים-pi שלבים, אשר משמש כמהוד לכידת אור על אורך אפקטיבי של 350 מיקרומטר. כדי לאפשר רוחב פס גבוה, החיישן משמש לזיהוי סידאוואי של אולטרסאונד, שהוא מאוד מועיל בגיאומטריות הדמיה היקפיות כגון הדמיה intravascular. התקנת הדמיה optoacoustic משמשת כדי לקבוע את התגובה של החיישן למקורות נקודות אקוסטית בעמדות שונות.
Introduction
גלאי אולטראסאונד לשחק תפקיד מפתח ביישומי הדמיה רבים. כמקובל, אולטרסאונד הוא זוהה על ידי מתמרים פיזואלקטריים, שיהפוך את גלי לחץ לאותות מתח 1. בתחום ההדמיה optoacoustic, אולטרסאונד מופק באמצעות תהליך של התפשטות תרמית ידי הארת האובייקט עם אור מווסת הספק גבוה 2-6. למרות מתמרים פיזואלקטריים הם את שיטת הבחירה ביישומי optoacoustic, השימוש בם לעתים קרובות מעכב את המזעור בעיקר בגלל מתמרים פיזואלקטריים מיניאטורי לעתים קרובות מאופיינים ברגישות נמוכה. בנוסף, מאז מתמרים פיזואלקטריים הם אטום אופטי, הם עשויים באופן חמור להפריע לאספקת אור לאובייקט צילם, הגבלת אפשרויות לתצורות הדמיה שמישה. אור שהוא מפוזר חזרה מהאובייקט למתמר עשוי גם להגביל את זיהוי הנכון של אולטרסאונד ולסבך את העיצוב של מערכת ההדמיה בשל parasit המושרה אופטיic מאותת במתמר 7.
גלאים אופטיים של אולטרסאונד הוכרו כאלטרנטיבה אפשרית למתמרת פיזואלקטריים שמציעה יתרונות רבים בתרחישי ההדמיה optoacoustic 8-12: הם בדרך כלל שקופים ובדרך כלל ניתן מוקטנים ללא הפסד של רגישות. עיקרון העבודה של גלאים אופטיים הוא זיהוי interferometric של עיוות דקות שנוצרה במדיום האופטי בשל נוכחותם של אולטרסאונד. לעתים קרובות, מהודים אופטיים נמצאים בשימוש כדי לשפר את רגישות זיהוי על ידי לכידת אור במדיום מוטרד לתקופות ממושכות, ובכך להגדיל את ההשפעה של העיוות בשלב של האותות אופטיים. במקרים אלה, ערכות זיהוי אופטיות מבוססות על וריאציות ניטור באורך גל התהודה, אשר קשורים באופן ישיר למבנה עיוותים במהוד. בדרך כלל, גל רציף הצרה linewidth טכניקות (CW) נמצאות בשימוש שבליזר CW הוא מכוון האורך גל תהודה דואר. משמרות קטנות באורך גל התהודה לשנות את המיקום היחסי של אורך הגל של הלייזר בתהודה, ובכך גורמים לשינויים בעוצמת האור המועבר / משתקף הלייזר, אשר ניתן לנטר בקלות. עם זאת, אם משמרות התהודה חזקות מדי, למשל בשל שינויים גדולים בלחץ, טמפרטורה, או תנודות, התהודה עשויה להשתנות לחלוטין מאורך הגל של הלייזר, באופן יעיל להרוות את הגלאי 13.
אינטרפרומטריה דופק 14 מציעה פתרון להגבלה של הרוויה אות ומאפשרת זיהוי אולטרסאונד בתנאים סביבתיים תנודתי. בניגוד לצרות linewidth תוכניות CW, אינטרפרומטריה הדופק מעסיקה מקור דופק wideband להאיר המהוד. במקרה זה, המהוד פועל כמסנן bandpass, לשדר רק את אורכי גל שמתאימים לתדר התהודה שלה, בעוד שתהודת משמרותמחדש זוהה על ידי מדידת השינויים באורך הגל באותות אופטיים בתפוקה של המהוד, למשל על ידי שימוש באינטרפרומטר מאך-Zehnder הנעול לנצב 14,15. מעגל איפוס אוטומטי משמש כדי לשחזר מייד נקודת העבודה של אינטרפרומטר במקרה זה הולך לאיבוד בשל שונות קיצוניות בתנאים סביבתיים. בגלל רוחב הפס הרחב יחסית למקור, אורך גל התהודה נשאר בתוך הלהקה המוארת גם בהפרעות חזקות, המאפשר תפעול גלאי יציב גם בתנאי סביבה קשים. השימוש במקור קוהרנטי לחקירה, פולסים אופטיים כלומר, מקל על זיהוי רעש נמוך.
מערכת אינטרפרומטריה הדופק המתאימה בשימוש בניסויים שלנו מוצגת באיור 1. לייזר הדופק משמש לחקירה הופק 90 פולסים fsec בשיעור החזרה של 100 MHz תפוקת חשמל של 60 mW ורוחב ספקטרום של מעל 100 עםננומטר. היה לי המסנן האופטי רוחב ספקטרלי FWHM של כ 0.4 ננומטר והיה מכוון לתדר של התהודה. בעקבות המסנן, מגבר אופטי שימש כדי לפצות על האובדן המשמעותי בסינון. סינון נוסף יושם לאחר שלב ההגברה כדי להפחית את הפליטה ספונטנית מוגברת של המגבר. המהוד משמש בניסויים שלנו הוא צורם pi-עבר שלב סיבים בראג (π-FBG) 8, שיוצרו על ידי Teraxion בע"מ במיוחד עבור היישומים הרפואיים של חישת אולטרסאונד, יש π-FBGs את היתרון של להיות כל רכיבי הסיבים, וכך. איור חזק וקטן 2 מציג השוואה בין הממדים של הסיבים אופטיים המשמשים בעבודה זו וMHz 15 אולטרסאונד מיניאטורי intravascular (IVUS) מתמר פיזואלקטריים. כמה גישות חלופיות המבוסס על תהודה זיהוי, כגון תהודה מיקרו טבעת מפוברקות בגלבו מישוריים, דורשות צימוד סיבים ברכיב שלקלט ופלט, או מוביל למכשירים שבירים יותר או מפריע מזעור. לעומת זאת, π-FBGs נמצא בסיבי רכיבים, ואינו דורש צימוד סיבים נוסף. התהודה בπ-FBGs נוצר על ידי פאזה pi במרכזם; אור הוא לכוד סביב פאזה pi ביחס לחלק מהסיבים אשר הוא קצר באופן משמעותי מהאורך של הסורג עצמו. בניסויים שלנו, היה לי π-FBG אורך של 4 מ"מ ומקדם צימוד של κ = 2 מ"מ -1 ואת הרגישות שלו הופצה שאינו אחידה לאורכו, ברגישות באופן אקספוננציאלי בירידה מהמרכז הצורם עם שיעור של κ . הרוחב מלא החצי לכל היותר (FWHM) של הפצת הרגישות (SD) היה כ 350 מיקרומטר. רוחב התהודה של הסורג נקבע על ידי שני אורכה ומקדם הצימוד שלה על פי המשוואה הבאה:
<img alt="משוואת 1" fo:content-width="1.5in" src= רוחב "/ files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" = "150" /> (1)
שבו λ הוא אורך גל התהודה וn EFF הוא מקדמת השבירה האפקטיבית של המצב המודרך בסיבים 8.
כדי להעריך אם גלאי π-FBG מתאים ליישומי הדמיה, תגובת מרחבית התלויה צריכה להימדד על פני תדרים רחבים. עם זאת, משימה זו היא מאוד מאתגרת, כאשר טכניקות אקוסטית קונבנציונליות נמצאות בשימוש. לפיכך, אנו מעסיקים שיטת optoacoustic לגלאי אולטרסאונד אפיון 16 שבתחום מיקרוסקופי כהה המשובץ באגר שקוף משמש כמקור נקודת optoacoustic. בניסוי שלנו, יש לו את הכדור המיקרוסקופי בקוטר של כ 100 מיקרומטר ומואר עם פולסים אופטיים שבריר שנייה מתח גבוה עם שיעור החזרה של 10 הרץ, משך דופק של כ 8 NSEC, והספק ממוצע של 200 mW. האנרגיה האופטית שהופקדה בSPH המיקרוסקופיEres יוצר אותות אולטרסאונד פס רחב בשל השפעת optoacoustic. גלאי π-FBG מתורגם יחסית למישור המיקרוסקופי להשיג התגובה אקוסטית מרחבית התלותית שלו. איור 3 מציג איור של ניסוי optoacoustic. באופן כללי, טכניקה זו יכולה להיות מועסק על מנת לאפיין סוגים שונים של גלאי אולטרסאונד שונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
לסיכום, שיטה אופטית חדשה לגילוי אולטרסאונד הוא הציג, המבוסס על שילוב של אינטרפרומטריה π-FBG והדופק. הטכניקה מתאימה במיוחד ליישומי הדמיה optoacoustic בשל השקיפות של אלמנט החישה, המאפשר לדפוסי הארת אובייקט כמעט שרירותיים. בניגוד לכך, גלאי אולטרסאונד פיזואלקטריים מבוסס סטנדר?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
DR מכיר בתמיכת קרן המחקר הגרמנית (DFG) מענק מחקר (ע"ר 1848/1) והמועצה האירופית למחקר החל גרנט. VN מודה תמיכה כספית ממתקדם פרס חוקר המועצה האירופית למחקר והחדשנות של BMBF ברפואה פרס.
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).
