Name: Wideband détecteur optique des ultrasons pour les applications dimagerie médicale (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-05-11T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 21 s
Description: Découvrez la détection optique des ultrasons à large bande pour l'imagerie médicale en utilisant un capteur PI FBG avec interférométrie impulsionnelle. Cette méthode offre une solution robuste et compacte adaptée aux applications cliniques invasives minimales.

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1. Optoacoustique Caractérisation du détecteur de π-FBG <ol><li> Préparation d&#39;une sphère microscopique en suspension dans de la gélose: <ol><li> Mélanger la poudre d&#39;agar (1,3% en poids) avec de l&#39;eau distillée dans un bêcher en verre. Utilisez un dispositif magnétique d&#39;agitation plaque chaude pour chauffer la solution proche de la température d&#39;ébullition et dissoudre la poudre d&#39;agar jusqu&#39;à ce que la solution devienne claire et sans bulles d&#39;air. En variante, la solution d&#39;agar peut être chauffé à l&#39;aide d&#39;un four micro-ondes classique, sous l&#39;agitation effectuée manuellement à l&#39;aide d&#39;un agitateur de verre. Verser la solution chaude dans un moule en plastique, par exemple seringue avec sa pointe découpée. </li><li> Saupoudrer une petite quantité de sphères microscopiques sur la solution d&#39;agar et d&#39;attendre jusqu&#39;à ce que la solution se solidifie complètement. Prendre le fantôme d&#39;agar solide hors du moule en poussant le piston. </li><li> Voir le fantôme sous un microscope stéréoscopique couper un petit morceau de gélose qui contient une seule sphère microscopique. </li><li> Répétez l&#39;étape 1.1.1 et ajouter to la solution d&#39;agar agar la pièce solide contenant la sphère microscopique unique. </li><li> Après solidification, couper le fantôme d&#39;agar sous le microscope de telle sorte que la sphère microscopique est situé à proximité de la surface de la fantôme. </li></ol></li><li> Mesure opto-acoustique <ol><li> Utilisez deux supports de fibre v-gorge à maintenir la fibre bien sur les deux côtés de la π-FBG, et relié la porte à une dimension (XYZ) Traduction troisième phase commandée par ordinateur. Faire en sorte que la fibre est immergée afin de permettre la propagation des ultrasons. </li><li> Trouver l&#39;emplacement approximatif de l&#39;élément π-FBG détection en éclairant les différentes parties de la fibre à la nanoseconde impulsions laser de haute puissance. L&#39;absorption optique du revêtement, si faible, va créer un signal lorsque l&#39;éclairage est effectuée sur le π-FBG. </li><li> Placez la sphère microscopique agar-incorporé directement sous le π-FBG. La sphère microscopique doit être visible à l&#39;œil nu. </li><li> Utilisation de la platine de translation, effectuer un balayage 2D du π-FBG dans le plan parallèle au sol pour trouver l&#39;emplacement où le signal provenant du domaine microscopique est la plus forte et la temporisation correspondante est la plus courte. </li><li> Effectuer derniers réglages à l&#39;éclairage pour délivrer une puissance maximale de la sphère microscopique. </li><li> Utilisation de la platine de translation effectuer une analyse 3D du π-FBG et enregistrer le signal pour chaque position. </li><li> Pour obtenir la réponse en fréquence dans l&#39;espace dépendant du détecteur à ultrasons, effectuer la transformée de Fourier sur le signal ultrasonore dans le domaine temporel enregistré. </li></ol></li></ol> 2. Estimation de la robustesse et de la sensibilité de la performance du détecteur π-FBG <ol><li> Utilisez deux supports de fibre v-gorge à maintenir la fibre bien sur les deux côtés de la π-FBG et plonger le π-FBG. </li><li> Placez une plaque sombre ou une tige de graphite robuste pour faire face à la π-FBG et éclairer l&#39;esprith la haute puissance nanoseconde impulsion faisceau laser pour créer un champ acoustique forte. </li><li> Placez une pompe à eau à l&#39;intérieur du réservoir d&#39;eau et l&#39;allumer afin de créer des variations rapides des conditions environnementales. </li><li> Pour estimer la robustesse du système, mesure de la sortie avec le circuit de verrouillage tourné à la fois sur et en dehors. Quand aucun verrouillage est effectué, il n&#39;est pas possible de détecter avec précision le signal d&#39;ultrasons. </li><li> Mettez la pompe d &#39;eau. </li><li> Pour estimer les avantages de la sensibilité en raison de la grande cohérence de la source, remplacer le laser à impulsions à large bande avec une source à faible cohérence et répéter la mesure acoustique. On s&#39;attend à une baisse de plus d&#39;un ordre de grandeur de la sensibilité lorsque la source à faible cohérence est utilisé. </li></ol>

<ol><li>Hunt, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasound+transducers+for+pulse-echo+medical+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Ultrasound transducers for pulse-echo medical imaging.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 30, 453-481 (1983).</li>
<li>Razansky, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multispectral+opto-acoustic+tomography+of+deep-seated+fluorescent+proteins+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Photon%22%5BJournal%5D)">Multispectral opto-acoustic tomography of deep-seated fluorescent proteins in vivo.</a> Nature Photon. 3, 412-417 (2009).</li>
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<li>Grün, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+photoacoustic+imaging+using+fiber-based+line+detectors%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional photoacoustic imaging using fiber-based line detectors.</a> Journal of Biomedical Optics. 15, 021306-02 (2010).</li>
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<li>Rosenthal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wideband+optical+sensing+using+pulse+interferometry%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Wideband optical sensing using pulse interferometry.</a> Optics Express. 20, 19016-19029 (2012).</li>
<li>Rosenthal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wideband+fiber-interferometer+stabilization+with+variable+phase%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Photonics+Technology+Letters%22%5BJournal%5D)">Wideband fiber-interferometer stabilization with variable phase.</a> IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1499-1501 (2012).</li>
<li>Rosenthal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+characterization+of+the+response+of+a+silica+optical+fiber+to+wideband+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Spatial characterization of the response of a silica optical fiber to wideband ultrasound.</a> Optics Letters. 37, 15-3174 (2012).</li>
<li>Rosenthal, A., Razansky, D., Ntziachristos, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Model-based+optoacoustic+inversion+with+arbitrary-shape+detectors%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Physics%22%5BJournal%5D)">Model-based optoacoustic inversion with arbitrary-shape detectors.</a> Medical Physics. 38, 4285-4295 (2011).</li>
</ol>

Les auteurs déclarent qu&#39;ils n&#39;ont aucun intérêt financier concurrents.

En conclusion, un nouveau procédé pour la détection optique d&#39;ultrasons est introduite, qui est basé sur une combinaison d&#39;une interférométrie π-FBG et le pouls. La technique est particulièrement adaptée pour des applications d&#39;imagerie optoacoustique du fait de la transparence de l&#39;élément de détection, ce qui permet aux modèles objet d&#39;illumination presque arbitraires. En revanche, les détecteurs à ultrasons piézoélectriques à base de standards sont opaques et bloquent ainsi une partie des trajets ...

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: <img alt="Equation 1" fo:content-width="1.5in" src="/files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" files width='"150"'> 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.

<table><tbody><tr><td>&pi ;-FBG</td><td>Teraxion Inc.</td><td></td><td>Dispositif sur mesure</td></tr><tr><td>Sphères microscopiques</td><td>Cospheric LLC</td><td>BKPMS 90-106um- 10g</td><td>100 &micro ; m microsphères de polyéthylène</td></tr><tr><td>Laser à impulsions femtosecondes utilisé pour l’interrogation</td><td>Menlo Systems GmbH</td><td>T-Light Femtosecond Laser</td><td></td></tr><tr><td>Filtre optique</td><td>Optoplex Corporation</td><td>Filtre optique accordable à 2 ports (50 GHz)</td><td></td></tr><tr><td>Amplificateur optique</td><td>Amonics</td><td>AEDFA-PM-PA-35-B-FC</td><td>Benchtop 35dB Gain Pré Polarisation Maintien EDFA&nbsp ;</td></tr><tr><td>Coupleur 50/50</td><td>OZ-Optics</td><td>FUSED-22-1550-8/125-50/ 50-3S3S3S3S-3-0.5-PM</td><td>Répartiteur de fibres 2 x 2 fusionné avec 0,5 mètre de long, 3 mm de diamètre extérieur gainé en PVC 1 550 nm 8/125&mu ; Queues de cochon fibre PM , rapport divisé 50/50 dans les axes lents des fibres PM et avec connecteurs super FC/PC sur tous les ports .</td></tr><tr><td>Support de fibre</td><td>Thorlabs</td><td>T711/M-250</td><td>Métrique, pince à fibre post-montable, 250 & micro ; m&nbsp ;</td></tr><tr><td>Agar pour la microbiologie</td><td>Sigma Aldrich</td><td>05039-500G</td><td></td></tr><tr><td>Laser à impulsions nanosecondes utilisé pour générer les signaux optoacoustiques</td><td>Opotek</td><td>VIBRANT Arrow 532 type I</td><td></td></tr><tr><td>Tige en graphite</td><td>Faber-Castell</td><td>120700</td><td>Faber-Castell Mines de crayon - 0,7 mm</td></tr></tbody></table>

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

Wideband Optical Detector of Ultrasound for Medical Imaging Applications

Les capteurs optiques d&#39;ultrasons sont une alternative prometteuse aux techniques piézoélectriques, comme cela a été démontré récemment dans le domaine de l&#39;imagerie acousto-optique. Dans les applications médicales, l&#39;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&#39;environnement clinique impose souvent des limites strictes sur la taille et la robustesse de la détection. Dans ce travail, la combinaison de l&#39;interférométrie à impulsion et la détection optique à base de fibres est mise en évidence pour la détection d&#39;ultrasons. Pulse interférométrie permet de bonnes performances du système de lecture en présence de variations rapides dans les conditions de l&#39;environnement, alors que l&#39;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&#39;imagerie intravasculaire. Afin d&#39;atteindre une longueur de capteur court, unpi-fibre déphasé réseau de Bragg est utilisé, qui joue le rôle d&#39;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&#39;ultrasons latéralement, ce qui est très avantageux dans des géométries d&#39;imagerie telles que l&#39;imagerie circonférentielles intravasculaire. Une installation d&#39;imagerie optoacoustique est utilisé pour déterminer la réponse du capteur pour des sources ponctuelles acoustiques à différentes positions.

Les figures 4a et 4b montrent respectivement les signaux et leurs spectres correspondant à partir de la sphère microscopique à une distance de 1 mm à partir de la fibre à trois décalages du centre de la π-FBG. Les décalages sont donnés dans la direction z, comme le montre la figure 3. De toute évidence, la sensibilité du détecteur optique à ultrasons à haute fréquence (f&gt; 6 MHz) est anisotrope et est plus élevée lorsque le centre du π-FBG est au dessus de la sphère m...

La détection optique de l&#39;échographie n&#39;est pas pratique dans de nombreux scénarios d&#39;imagerie car elle nécessite souvent des conditions environnementales stables. Nous démontrons une technique optique pour l&#39;échographie de détection dans les environnements volatils avec la miniaturisation et de la sensibilité des niveaux appropriés pour l&#39;imagerie acousto-optique dans les scénarios restrictives, par exemple des applications intravasculaires.

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

Optical sensors of ultrasound are a promising alternative to piezoelectric techniques, as has been recently demonstrated in the field of optoacoustic ...

Cette vidéo démontre l’utilisation d’un capteur optique d’ultrasons basé sur un gradage de fibre à fibre décalée PPH, ou PI FBG comme élément de détection et un système de lecture par interférométrie d’impulsions. Ceci est réalisé en intégrant une sphère microscopique sombre dans une gélose transparente et en l’utilisant pour générer un point à large bande comme une source acoustique en l’éclairant avec des impulsions lumineuses de haute puissance. Dans un deuxième temps, le FBG à tarte est scanné en trois dimensions, ce qui permet de caractériser sa réponse aux ultrasons dépendante de l’espace et de la fréquence.Ensuite, une pompe à eau est utilisée afin de générer une perturbation mécanique au voisinage du capteur à ultrasons et d’évaluer la robustesse du capteur. Les résultats obtenus montrent que le capteur optique est adapté aux applications d’imagerie du monde réel en raison de sa réponse acoustique spatio-temporelle et de sa robustesse aux perturbations mécaniques. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes optiques existantes pour la détection des ultrasons, comme la combinaison de micro-anneaux avec l’interférométrie à ondes continues, est que cette

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Découvrez la détection optique des ultrasons à large bande pour l'imagerie médicale en utilisant un capteur PI FBG avec interférométrie impulsionnelle. Cette méthode offre une solution robuste et compacte adaptée aux applications cliniques invasives minimales.

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

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