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.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
النطاق العريض للكشف عن الموجات فوق الصوتية البصرية للتطبيقات التصوير الطبي
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
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.
المقدمة
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:
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.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. توصيف بصري سمعي الكاشف π-FBG
- إعداد المجال مجهرية معلقة في أجار:
- خلط مسحوق أجار (1.3٪ من الوزن) مع الماء المقطر في دورق زجاجي. استخدام طبق ساخن الجهاز المغناطيسي النمام لتسخين الحل قريبة من درجة حرارة الغليان وحل مسحوق أجار حتى يصبح الحل واضحة وخالية من فقاعات الهواء. بدلا من ذلك، قد تكون ساخنة الحل أجار باستخدام الميكروويف التقليدية مع التحريك تنفيذ يدويا باستخدام النمام الزجاج. صب الحل الساخنة في قالب من البلاستيك، مثل المحاقن مع طرفها قطع.
- رش كمية صغيرة من المجالات المجهرية على الحل أجار وانتظر حتى يتصلب الحل بالكامل. اتخاذ الوهمية أجار الصلبة للخروج من العفن عن طريق دفع المكبس.
- عرض الوهمية تحت المجهر مجسمة قطع قطعة صغيرة من أجار والذي يحتوي على المجال المجهري واحد.
- كرر الخطوة 1.1.1 وإضافة رس الحل أجار أجار قطعة صلبة تحتوي على المجال المجهري واحد.
- بعد التصلب، وقطع الوهمية أجار تحت المجهر بحيث المجال المجهري يقع على مقربة من سطح الوهمية ل.
- قياس بصري سمعي
- استخدام اثنين من أصحاب الألياف الخامس الأخدود لعقد الألياف بإحكام على كلا الجانبين من π-FBG، وتوصيل حامل إلى الأبعاد (XYZ) ترجمة المرحلة التي تديرها الكمبيوتر الثلاثة. تأكد من أن الألياف الغارقة لتمكين انتشار الموجات فوق الصوتية.
- العثور على الموقع التقريبي للاستشعار عن عنصر π-FBG قبل إلقاء الضوء على أجزاء مختلفة من الألياف مع عالية الطاقة نانوثانية نبض شعاع الليزر. فإن الامتصاص الضوئي للطلاء، ومع ذلك ضعيفة، إنشاء إشارة عند تنفيذ الإضاءة على π-FBG.
- وضع المجال جزءا لا يتجزأ من أجار المجهرية مباشرة تحت π-FBG. وينبغي أن يكون المجال المجهري مرئية للعين المجردة.
- باستخدام مرحلة الترجمة، إجراء فحص 2D من π-FBG في الطائرة موازية على الأرض للعثور على الموقع حيث الإشارة من المجال المجهري هو الأقوى وتأخير وقت المناظرة هو أقصر.
- تنفيذ التعديلات الأخيرة للإضاءة لتقديم أقصى قدر من السلطة إلى المجال المجهري.
- باستخدام مرحلة الترجمة إجراء فحص 3D من π-FBG وتسجيل إشارة لكل منصب.
- الحصول على استجابة التردد تعتمد مكانيا للكشف عن الموجات فوق الصوتية، إجراء تحويل فورييه على الوقت المجال إشارة الموجات فوق الصوتية المسجلة.
2. تقدير المتانة والأداء وحساسية π-FBG الكاشف لل
- استخدام اثنين من أصحاب الألياف الخامس الأخدود لعقد الألياف بإحكام على كلا الجانبين من π-FBG وغمر π-FBG.
- وضع لوحة مظلمة أو قضيب الجرافيت بثبات لمواجهة π-FBG وإلقاء الضوء عليها الطرافةح عالية الطاقة نانوثانية نبض شعاع الليزر لإنشاء حقل الصوتية القوية.
- وضع مضخة المياه داخل خزان مياه وتشغيله من أجل خلق تغيرات السريعة في الظروف البيئية.
- لتقدير قوة النظام، وقياس المخرجات مع الدوائر قفل تحولت داخل وخارج. عندما يتم تنفيذ أي تأمين، فمن غير الممكن أن يكشف بدقة إشارة الموجات فوق الصوتية.
- تحويل مضخة المياه قبالة.
- لتقدير فائدة في الحساسية بسبب تماسك عالية من المصدر، استبدل النطاق العريض نبضة ليزر مع مصدر التماسك ومنخفضة تكرار قياس الصوتية. ومن المتوقع عند استخدام مصدر المنخفضة التماسك انخفاض أكثر من أمر من حجم في الحساسية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
الأرقام 4A و 4B تظهر إشارات على التوالي والمقابلة أطياف بهم من المجال المجهري على مسافة 1 مم من الألياف لمدة ثلاث إزاحة من مركز π-FBG. ونظرا للتعويضات في اتجاه z، كما هو مبين في الشكل (3). ومن الواضح أن حساسية كاشف البصرية لالموجات فوق الصوتية عالية التردد (و> 6 ميغاهرتز) هو متباين الخواص وأعلى عند مركز π-FBG هو مباشرة فوق المجال المجهري . على الرغم من عدم تطابق مقاومة الصوتية عالية بين الألياف السيليكا والماء، ويلاحظ أي الأصدا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
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 الصوتية كهرضغطية يستند القياسية هي مبهمة، وبالتالي منع بعض المسارات البصرية إلى كائن المصورة، مما أدى إلى الاجهزة التصوير الضخمة. وبالتالي يمكن للكاشف الضوئي المتقدمة تسهيل التصغير التكنولوجيا بصري سمعي والترجمة السريرية. ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
يعلن الكتاب أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.
شكر وتقدير
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.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| π-FBG | Teraxion Inc. | جهاز مخصص | |
| المجالات المجهرية | Cospheric LLC | BKPMS 90-106um- 10g | 100 & micro ؛ م البولي إيثيلين المجهري |
| ليزر النبض الثاني الفيمتو المستخدم للاستجواب | Menlo Systems GmbH | T-Light Femtosecond Laser | |
| Optical Filter | Optoplex Corporation | 2-Port Optical Adjustable Filter (50 GHz) | |
| مكبر للصوت البصري | Amonics | AEDFA-PM-PA-35-B-FC | مكاسب Benchtop 35dB كسب الاستقطاب المسبق للحفاظ على EDFA ؛ |
| 50/50 مقرنة | OZ-Optics | FUSED-22-1550-8 / 125-50 / 50-3S3S3S3S-3-0.5-PM | تنصهر 2 × 2 مقسم الألياف بطول 0.5 متر ، 3 مم OD PVC مغلف 1،550 نانومتر 8/125 & mu ؛ أسلاك التوصيل المصنوعة من الألياف PM ، نسبة انقسام 50/50 في المحاور البطيئة لألياف PM ومع موصلات FC / PC فائقة على جميع المنافذ . |
| حامل الألياف | Thorlabs | T711 / M-250 | متري ، مشبك ألياف قابل للتركيب بعد التركيب ، 250 وميكرو ؛ m |
| أجار لعلم الأحياء الدقيقة | سيجما ألدريتش | 05039-500G | |
| ليزر نبضي نانو ثانية يستخدم لتوليد الإشارات الصوتية | الضوئية Opotek | VIBRANT Arrow 532 النوع الأول | |
| قضيب الجرافيت | Faber-Castell | 120700 | Faber-Castell Pencil Lead - 0.7 مم |
المراجع
- 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).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
