Wideband Optical Detector von Ultraschall für medizinische Imaging-Anwendungen

Amir Rosenthal; Stephan Kellnberger; Murad Omar; Daniel Razansky; Vasilis Ntziachristos

doi:10.3791/50847

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Methodenartikel

Wideband Optical Detector von Ultraschall für medizinische Imaging-Anwendungen

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DOI:

10.3791/50847

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11. Mai 2014

Amir Rosenthal¹ , Stephan Kellnberger¹ , Murad Omar¹ , Daniel Razansky¹ , Vasilis Ntziachristos¹

¹Institute for Biological and Medical Imaging (IBMI), Technical University of Munich and Helmholtz Center Munich

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Optische Detektion von Ultraschall ist unpraktisch in vielen Bildszenarien, weil es oft stabile Umweltbedingungen erfordert. Wir zeigen eine optische Sensortechnik für Ultraschall in volatilen Umgebungen mit Miniaturisierung und Empfindlichkeitsstufen für optoakustische Bildgebung angemessen restriktiven Szenarien, wie zB intravaskuläre Anwendungen.

Zusammenfassung

Optische Sensoren Ultraschall sind eine vielversprechende Alternative zu piezoelektrischen Techniken wie kürzlich auf dem Gebiet der optoakustischen Bildgebung nachgewiesen. In medizinischen Anwendungen, ist eine der Haupteinschränkungen der optischen Sensortechnologie ihre Anfälligkeit gegenüber Umgebungsbedingungen, z. B. Änderungen in Druck und Temperatur, die den Nachweis sättigen kann. Zusätzlich klinischen Umfeld auferlegt oft strenge Beschränkungen für die Größe und Robustheit des Sensors. In dieser Arbeit wird die Kombination aus Impuls Interferometrie und faserbasierten optischen Erfassungs zur Ultraschalldetektion nachgewiesen. Pulse-Interferometrie ermöglicht robusten Entwicklung der Auslesesystem in Gegenwart von schnellen Änderungen in den Umweltbedingungen, während die Verwendung von All-Faser-Technologie führt zu einer mechanisch flexible Sensorelement mit sehr anspruchsvollen medizinischen Anwendungen wie intravaskulären Bildgebung kompatibel. Um eine kurze Sensorlänge zu erreichen, einpi-phasenverschobenen Bragg-Fasergitter verwendet wird, der als Resonator einfängt über eine effektive Länge von 350 um handelt. Um eine hohe Bandbreite zu ermöglichen, wird der Sensor zur Erfassung von seitlichen Ultraschall, die sehr nützlich bei der bildgebenden Umfangsgeometrien wie intravaskulären Bildgebung verwendet. Optoakustischer Abbildungsaufbau wird verwendet, um die Reaktion des Sensors für akustische Punktquellen an unterschiedlichen Positionen zu bestimmen.

Einleitung

Ultraschall-Detektoren spielen eine Schlüsselrolle in vielen Imaging-Anwendungen. Herkömmlicherweise wird Ultraschall von piezoelektrischen Wandlern, die Druckwellen in Spannungssignale umwandeln ¹ festgestellt. In optoakustische Bildgebung wird Ultraschall über einen Prozess der Wärmeausdehnung durch Beleuchtung des Objekts mit High-Power-modulierte Licht ^6.2 erzeugt. Obwohl piezoelektrischen Wandlern sind die Methode der Wahl in der optoakustischen Anwendungen, deren Nutzung oft behindert Miniaturisierung vor allem, weil miniaturisierten piezoelektrische Wandler sind oft von geringer Empfindlichkeit aus. Darüber hinaus, da piezoelektrische Wandler sind optisch undurchsichtig sind, können sie stark mit Licht Lieferung an den abgebildeten Objekt stören, die Begrenzung Möglichkeiten nutzbar Imaging-Konfigurationen. Licht, das vom Objekt zum Wandler zurückgestreuten kann auch die korrekte Erkennung von Ultraschall zu begrenzen und erschweren die Gestaltung des Abbildungssystems durch optisch induzierte Schädlingic-Signale im Wandler ^7.

Optische Detektoren von Ultraschall wurden als mögliche Alternative zum piezoelektrischen Wandlern, die viele Vorteile in optoakustischen Bildgebungs Szenarien ^8-12 bietet erkannt worden: Sie sind häufig transparent und kann in der Regel ohne Empfindlichkeitsverlust verkleinert werden. Das Arbeitsprinzip der optischen Detektoren interferometrischen Detektion der Minute Verformung in dem optischen Medium aufgrund der Gegenwart von Ultraschall erzeugt. Oft werden Resonatoren verwendet, um die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen durch Einfangen Licht im gestörten Medium für längere Laufzeiten, wodurch die Wirkung der Verformung auf die Phase des optischen Signals. In diesen Fällen werden optische Erfassungssysteme zur Überwachung Variationen in der Resonanzwellenlänge, welche direkt betreffen Verformungen in dem Resonator-Struktur. Am häufigsten werden schmale Linienbreite (CW)-Techniken verwendet, bei denen ein Dauerstrichlaser ist so abgestimmt, the Resonanzwellenlänge. Kleine Verschiebungen in der Resonanzwellenlänge der relativen Position der Wellenlänge des Lasers innerhalb des Resonanz ändern, wodurch Variationen in der Intensität des übertragenen / reflektierten Laserlichts, die leicht überwacht werden können. Wenn jedoch die Resonanzverschiebungen zu stark sind, z. B. aufgrund von großen Druckschwankungen, Temperatur oder Vibrationen, die Resonanz kann vollständig von der Laserwellenlänge zu verschieben, effektiv Sättigung des Detektors ^13.

Impuls Interferometrie ¹⁴ bietet eine Lösung für die Begrenzung der Signalsättigung und ermöglicht Ultraschalldetektion unter Umgebungsbedingungen flüchtig. Im Gegensatz zu verengen Linienbreite CW Systeme beschäftigt Puls Interferometrie ein Breitbandpulsquelle, den Resonator zu beleuchten. In diesem Fall wirkt der Resonator als ein Bandpaßfilter, Senden nur die Wellenlängen, die ihrer Resonanzfrequenz entspricht, während die Resonanzverschiebungen einWieder durch Messen der Wellenlängenvariationen des optischen Signals am Ausgang des Resonators, z. B. durch Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometer gesperrt Quadratur ^14,15 detektiert. Eine automatische Reset-Schaltung wird verwendet, um sofort wieder her Arbeitspunkt des Interferometers in der Fall ist aufgrund der extremen Unterschiede in Umweltbedingungen verloren. Aufgrund der relativ große Bandbreite von der Quelle, bleibt die Resonanzwellenlänge innerhalb des beleuchteten Band selbst unter starken Störungen, eine stabile Detektor Betrieb auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Die Verwendung einer kohärenten Quelle für die Abfrage, das heißt Lichtimpulse, erleichtert geräuscharm Erkennung.

Die entsprechende Impuls Interferometriesystem in unseren Experimenten verwendet, ist in Fig. 1 gezeigt. Der Pulslaser für die Abfrage verwendeten 90 fs erzeugt Impulse mit einer Wiederholungsrate von 100 MHz mit einer Ausgangsleistung von 60 mW und einer spektralen Breite von mehr als 100nm. Das optische Filter hatte eine spektrale Halbwertsbreite von etwa 0,4 nm und wurde auf die Frequenz des Resonanz abgestimmt. Nach dem Filter wurde ein optischer Verstärker verwendet wird, um den erheblichen Verlust bei der Filterung zu kompensieren. Zusätzliche Filterung wurde nach der Verstärkerstufe angelegt, um verstärkte spontane Emission von dem Verstärker zu verringern. Die in unseren Experimenten verwendet Resonator ein pi-phasenverschobene Faser-Bragg-Gitter (FBG-π) ^8, durch Teraxion Inc. Insbesondere für die medizinische Anwendung von Ultraschallsensor hergestellt, π-FBG haben den Vorteil, dass alle Faserkomponenten, und so robust und klein. Fig. 2 zeigt einen Vergleich zwischen den Abmessungen der optischen Faser in dieser Arbeit verwendet, und ein 15 MHz miniaturisierten intravaskulären Ultraschall (IVUS) piezoelektrische Wandler. Einige alternative Resonanzbasierte Erkennung Ansätze, wie Mikroringresonatoren in planaren Wellenleitern hergestellt werden, erfordern Kupplungs Fasern an der KomponenteEingang und Ausgang, entweder mehr oder fragile Geräte führenden behindern Miniaturisierung. Im Gegensatz dazu sind π-FBG in Faserkomponenten und keine zusätzlichen Faserkopplung erforderlich. Die Resonanz in π-FBG ist durch die pi-Phasenverschiebung in ihrem Zentrum geschaffen; Licht ist um die Phasenverschiebung über pi Teil der Faser, die wesentlich kürzer als die Länge des Gitters selbst gefangen. In unseren Experimenten war die π-FBG eine Länge von 4 mm und Kopplungskoeffizient κ = 2 mm ^-1 und die Empfindlichkeit wurde nicht einheitlich entlang seiner Länge verteilt sind, wobei die exponentiell abnehmende Empfindlichkeit von der Gittermitte mit einer Geschwindigkeit von κ . Die volle Breite-halb-Maximum (FWHM) der Empfindlichkeitsverteilung (SD) betrug etwa 350 um. Die Resonanzbreite der Gitter durch sowohl seine Länge und seine Kopplungskoeffizient nach der folgenden Gleichung bestimmt wird:

figure-introduction-1 wo λ die Resonanzwellenlänge ist und n _eff der effektive Brechungsindex des Modus in der Faser ⁸ geführt.

Zu beurteilen, ob die π-FBG Detektor für Abbildungsanwendungen geeignet ist, braucht seine ortsabhängige Reaktion auf in einem breiten Frequenzband gemessen werden. Jedoch ist diese Aufgabe extrem schwierig, wenn herkömmliche akustische Techniken verwendet werden. Wir setzen daher eine optoakustische Verfahren zur Charakterisierung Ultraschalldetektor ^16, in der eine dunkle mikroskopischen Bereich, in transparent-Agar eingebettet dient als optoakustischen Punktquelle. In unserem Experiment hat der mikroskopische Kugel einen Durchmesser von etwa 100 um und ist mit Hochleistungsnano optische Pulse mit einer Wiederholungsrate von 10 Hz, Impulsdauer von etwa 8 ns, und die Durchschnittsleistung von 200 mW belichtet. Die optische Energie im mikroskopischen sph hinterlegteres erzeugt Breitbandultraschallsignale aufgrund der optoakustischen Effekt. Die π-FBG Detektor relativ zu dem mikroskopischen Bereich verschoben, um seine ortsabhängige akustische Reaktion zu erhalten. Fig. 3 zeigt eine Darstellung der optoakustischen Experiment. Im allgemeinen kann diese Technik eingesetzt werden, um verschiedene Arten von Ultraschall-Detektoren charakterisiert.