Wideband détecteur optique des ultrasons pour les applications d&#39;imagerie médicale

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

doi:10.3791/50847

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Article de méthode

Wideband détecteur optique des ultrasons pour les applications d'imagerie médicale

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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

Dans cet article

Résumé

La détection optique de l'échographie n'est pas pratique dans de nombreux scénarios d'imagerie car elle nécessite souvent des conditions environnementales stables. Nous démontrons une technique optique pour l'échographie de détection dans les environnements volatils avec la miniaturisation et de la sensibilité des niveaux appropriés pour l'imagerie acousto-optique dans les scénarios restrictives, par exemple des applications intravasculaires.

Résumé

Les capteurs optiques d'ultrasons sont une alternative prometteuse aux techniques piézoélectriques, comme cela a été démontré récemment dans le domaine de l'imagerie acousto-optique. Dans les applications médicales, l'une des principales limitations de la technologie de détection optique est sa sensibilité aux conditions environnementales, par exemple les changements de pression et de température, ce qui peut saturer la détection. En outre, l'environnement clinique impose souvent des limites strictes sur la taille et la robustesse de la détection. Dans ce travail, la combinaison de l'interférométrie à impulsion et la détection optique à base de fibres est mise en évidence pour la détection d'ultrasons. Pulse interférométrie permet de bonnes performances du système de lecture en présence de variations rapides dans les conditions de l'environnement, alors que l'utilisation de la technologie tout en fibre aboutit à un élément de détection mécaniquement flexible compatible avec des applications médicales très exigeantes telles que l'imagerie intravasculaire. Afin d'atteindre une longueur de capteur court, unpi-fibre déphasé réseau de Bragg est utilisé, qui joue le rôle d'un résonateur de piégeage de la lumière sur une longueur effective de 350 um. Pour permettre une grande largeur de bande, le capteur est utilisé pour la détection d'ultrasons latéralement, ce qui est très avantageux dans des géométries d'imagerie telles que l'imagerie circonférentielles intravasculaire. Une installation d'imagerie optoacoustique est utilisé pour déterminer la réponse du capteur pour des sources ponctuelles acoustiques à différentes positions.

Introduction

Détecteurs à ultrasons jouent un rôle clé dans de nombreuses applications d'imagerie. De manière classique, les ultrasons est détectée par des transducteurs piézo-électriques, qui transforment les ondes de pression en signaux de tension ^1. Dans l'imagerie acousto-optique, l'échographie est générée par un processus de dilatation thermique en éclairant l'objet avec de haute puissance lumière modulée ^2-6. Bien transducteurs piézoélectriques sont la méthode de choix pour les applications opto-acoustique, leur utilisation empêche souvent miniaturisation principalement parce que les transducteurs piézoélectriques miniaturisés sont souvent caractérisés par une faible sensibilité. En outre, depuis transducteurs piézoélectriques sont optiquement opaque, ils peuvent sérieusement interférer avec la livraison de lumière à l'objet imagé, limite les possibilités pour les configurations d'imagerie utilisables. La lumière qui est rétrodiffusée de l'objet à la sonde peut aussi limiter la détection correcte de l'échographie et de compliquer la conception du système d'imagerie en raison de parasitémie optiquement induiteic signale dans le transducteur ^7.

Les détecteurs optiques de l'échographie ont été reconnus comme une alternative possible à transducteurs piézoélectriques qui offre de nombreux avantages dans les scénarios d'imagerie acousto-optique ^8-12: Ils sont souvent transparents et peuvent généralement être miniaturisés sans perte de sensibilité. Le principe de fonctionnement des détecteurs optiques est la détection interférométrique de la déformation de la minute créé dans le milieu optique du fait de la présence d'ultrasons. Souvent, les résonateurs optiques sont utilisés pour améliorer la sensibilité de détection en piégeant la lumière dans le milieu perturbé pendant des durées prolongées, ce qui augmente l'effet de la déformation de la phase du signal optique. Dans ces cas, les systèmes de détection optique sont basées sur des variations de surveillance dans la longueur d'onde de résonance, qui se rapportent directement à la structure des déformations dans le résonateur. Le plus souvent, la largeur de raie étroite onde continue (CW) sont utilisées dans lequel un laser CW est accordée à l'ee résonance longueur d'onde. De petites variations de la longueur d'onde de résonance modifier la position relative de la longueur d'onde du laser à l'intérieur de la résonance, ce qui provoque des variations dans l'intensité de la lumière transmise / réfléchie laser, qui peut être facilement contrôlé. Toutefois, si les changements de résonance sont trop fortes, notamment en raison de grandes variations dans la pression, la température, aux vibrations, à la résonance peut passer complètement à l'écart de la longueur d'onde du laser, saturant efficacement le détecteur ^13.

Pulse interférométrie ¹⁴ propose une solution à la limitation de la saturation du signal et permet la détection d'ultrasons dans des conditions ambiantes volatiles. En revanche pour réduire la largeur de raie des systèmes CW-, impulsion interférométrie emploie une source d'impulsions à large bande pour illuminer le résonateur. Dans ce cas, le résonateur agit en tant que filtre passe-bande, en transmettant uniquement les longueurs d'onde qui correspondent à sa fréquence de résonance, tandis que la résonance se déplace unre détectée en mesurant les variations de longueur d'onde dans le signal optique à la sortie du résonateur, par exemple en utilisant un interféromètre de Mach-Zehnder à quadrature ^14,15 verrouillée. Un circuit de réinitialisation automatique est utilisé pour restaurer immédiatement le point de fonctionnement de l'interféromètre dans le cas de perte due à la variation extrême dans des conditions environnementales. En raison de la largeur de bande relativement large de la source, la longueur d'onde de résonance reste dans la bande éclairée, même sous de fortes perturbations, ce qui permet le fonctionnement du détecteur stable même dans des conditions ambiantes extrêmes. L'utilisation d'une source cohérente pour interrogatoire, c'est à dire des impulsions optiques, facilite la détection à faible bruit.

Le système d'interférométrie à impulsion correspondant utilisé dans nos expériences est représentée sur la figure 1. Laser à impulsions utilisée pour produire des 90 impulsions interrogation FSEC à une fréquence de répétition de 100 MHz avec une puissance de sortie de 60 mW et la largeur spectrale de plus de 100nm. Le filtre optique a une largeur spectrale à mi-hauteur d'environ 0,4 nm et est accordé sur la fréquence de la résonance. A la suite du filtre, un amplificateur optique a été utilisé pour compenser la perte significative de la filtration. Filtrage supplémentaire est appliqué après l'étage d'amplification afin de réduire l'émission spontanée amplifiée de l'amplificateur. Le résonateur utilisé dans nos expériences est une pi déphasée Bragg sur fibre (FBG-π) ^8, fabriqué par Teraxion Inc. particulier pour l'application médicale de l'échographie de détection, π-FBG ont l'avantage d'être des composants tout-fibre, et donc robuste et faible. figure 2 montre une comparaison entre les dimensions de la fibre optique utilisée dans ce travail, et à 15 MHz ultrasonore miniaturisée intravasculaire (IVUS) du transducteur piézo-électrique. Certaines approches de détection basés sur la résonance-alternatifs, tels que résonateurs micro-anneau fabriqués dans des guides d'ondes planaires, exigent fibres de couplage à la composante deentrée et de sortie, soit conduisant à des dispositifs plus fragiles ou entraver la miniaturisation. En revanche, les π-FBG sont en fibre de composants, et ne nécessitent pas de couplage de fibre supplémentaire. La résonance en π-FBG est créée par le décalage de phase de pi en leur centre; la lumière est piégée dans le décalage de phase de pi plus partie de la fibre qui est considérablement plus courte que la longueur de la grille elle-même. Dans nos expériences, le π-FBG avait une longueur de 4 mm et de coefficient de couplage de κ = 2 mm ^-1 et sa sensibilité a été distribué de manière non uniforme sur sa longueur, avec la sensibilité en diminuant de façon exponentielle à partir du centre de la grille avec un taux de κ . La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de la distribution de sensibilité (SD) est d'environ 350 um. La largeur de résonance du réseau de diffraction est déterminée à la fois par sa longueur et son coefficient de couplage en fonction de l'équation suivante:

figure-introduction-1 où λ est la longueur d'onde de résonance et n _eff est l'indice de réfraction effectif du mode guidé dans la fibre ^8.

Pour évaluer si le détecteur π-FBG est approprié pour les applications d'imagerie, sa réponse dépendance spatiale doit être mesurée sur une large bande de fréquences. Cependant, cette tâche est extrêmement difficile lorsque les techniques acoustiques classiques sont utilisés. Nous utilisons donc une méthode acousto-optique pour détecteur de caractérisation ultrasonore ^16, dans lequel une sphère microscopique sombre incorporé dans de la gélose transparent sert de source ponctuelle acousto-optique. Dans notre expérience, la sphère microscopique a un diamètre d'environ 100 um et est éclairé par des impulsions optiques de forte puissance de nanosecondes avec un taux de répétition de 10 Hz, durée d'impulsion d'environ 8 ns, et une puissance moyenne de 200 mW. L'énergie optique déposé dans la sph microscopiqueeres génère des signaux ultrasonores à large bande en raison de l'effet acousto-optique. Le détecteur π-FBG est traduite par rapport à la sphère microscopique d'obtenir la réponse acoustique à dépendance spatiale. Figure 3 montre une illustration de l'expérience optoacoustique. En général, cette technique peut être utilisée pour caractériser les différents types de détecteurs d'ultrasons.