Wideband גלאי אופטיים של אולטראסאונד ליישומי הדמיה רפואית

סיכום

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.

תקציר

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.

מבוא

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:

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.

פרוטוקול

1. Optoacoustic אפיון של גלאי π-FBG

1. הכנה של כדור מיקרוסקופי השרוי בקרקע:
   1. מערבבים אבקה אגר (1.3% לפי משקל) עם מים מזוקקים בכוס זכוכית. השתמש במכשיר מגנטי בוחש צלחת חמה כדי לחמם את הפתרון הקרוב לטמפרטורת רתיחה ולפזר את האבקה אגר עד הפתרון הופך להיות ברור וללא בועות אוויר. לחלופין, הפתרון אגר יכול להיות מחומם באמצעות מיקרוגל קונבנציונלי עם ערבוב בוצע באמצעות בוחש זכוכית באופן ידני. יוצקים את הפתרון החם לתוך תבנית פלסטיק, למשל מזרק עם קצהו לגזור.
   2. מפזר כמות קטנה של כדורים מיקרוסקופיים על הפתרון אגר ולחכות עד הפתרון מתמצק במלואו. קח את הפנטום אגר המוצק מתוך העובש על ידי דחיפת הבוכנה.
   3. צפה הפנטום תחת מיקרוסקופ סטריאוסקופית לחתוך חתיכה קטנה של אגר המכילה תחום מיקרוסקופי אחת.
   4. חזור על שלב 1.1.1 ולהוסיף to הפתרון אגר פיסה אגר מוצקה המכילה את הכדור המיקרוסקופי אחת.
   5. לאחר התמצקות, לחתוך את הפנטום אגר תחת המיקרוסקופ, כך שהכדור המיקרוסקופי ממוקם קרוב לפני השטח של הפנטום.
2. מדידת Optoacoustic
   1. השתמש בשני מחזיקי סיבי v-חריץ להחזיק את הסיבים בחוזקה בשני הצדדים של π-FBG, ומחובר למחזיק בן שלושה שלבים ממדיים (XYZ) תרגום המופעל במחשב. ודא שהסיבים הוא שקועים, כדי לאפשר ההתפשטות של אולטרסאונד.
   2. מצא את המיקום המשוער של אלמנט π-FBG חישה ידי הארת חלקים שונים של הסיבים עם קרן לייזר שבריר שנייה דופק ההספק גבוה. הקליטה האופטית של הציפוי, חלשה לעומת זאת, תיצור אות כאשר התאורה מבוצעת על π-FBG.
   3. מניחים את הכדור המיקרוסקופי מוטבע אגר ישירות מתחת π-FBG. תחום המיקרוסקופי צריך להיות גלוי לעין בלתי מזוינת.
   4. שימוש בשלב התרגום, לבצע סריקת 2D של π-FBG במקביל המטוס אל הקרקע כדי למצוא את המיקום שבו האות מהתחום המיקרוסקופי היא חזקה ביותר וההשהיה המקבילה שלה היא קצר ביותר.
   5. לבצע התאמות האחרונות לתאורה כדי לספק כוח מרבי לכדור המיקרוסקופי.
   6. השימוש בתרגום הבמה לבצע סריקת 3D של π-FBG ולהקליט את האות לכל תפקיד.
   7. כדי להשיג את תגובת תדר מרחבית תלויה של גלאי אולטרסאונד, לבצע את ההתמרה על אות אולטרסאונד תחום בזמן שנרשם.

2. הערכת החוסן ורגישות פעולתו של π-FBG גלאי

1. השתמש בשני מחזיקי סיבי v-חריץ להחזיק את הסיבים בחוזקה בשני הצדדים של π-FBG ולהטביע את π-FBG.
2. מניחים צלחת כהה או מוט גרפיט sturdily להתמודד π-FBG ולהאיר אותה שנינותשעות קורה ההספק גבוה שבריר שנייה דופק לייזר כדי ליצור שדה אקוסטית חזק.
3. מקם משאבת מים בתוך מיכל המים ולהפעיל אותו על מנת ליצור וריאציות מהירים בתנאי הסביבה.
4. כדי להעריך את איתנות המערכת, למדוד את התפוקה עם מעגל הנעילה מופעל שניהם לסירוגין. כאשר אין נעילה מתבצעת, לא ניתן לזהות את אות אולטרסאונד בצורה מדויקת.
5. הפעל את משאבת מים לדרך.
6. כדי להעריך את התועלת ברגישות עקב גבוהה קוהרנטיות של המקור, להחליף את לייזר דופק wideband עם מקור קוהרנטיות נמוך ולחזור על המדידה אקוסטית. ירידה של מעל סדר הגודל ברגישות צפויה כאשר נעשה שימוש במקור נמוך קוהרנטיות.

תוצאות

איורים 4 א ו -4 בהתאמה להראות את האותות והספקטרום המקביל שלהם מהתחום המיקרוסקופי במרחק של 1 מ"מ מהסיבים לשלושה קיזוז ממרכז π-FBG. מקבלים הקיזוז בכיוון z, כמתואר באיור 3. ברור שהרגישות של הגלאי האופטי לאולטרסאונד בתדירות גבוהה (ו> 6 MHz) היא איזוטרופי והוא הגבוה ביותר, כאשר מרכז π-FBG הוא ישירות מעל המישור המיקרוסקופי . למרות חוסר התאמת העכבה אקוסטית הגבוהה בין סיבי סיליקה ומים, לא תהודות שונות הם נצפו בתדרים מעל 6 מגהרץ, מה שמו...

דיון

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 סטנדרטיים הם אטומים ובכך לחסום חלק מהנתיבים האופטי לאובייקט צילם, מה שמוביל להגדרות הדמיה מגושמות. כך גלאי אופטיים שפותחו יכולים להקל על המזעור של טכנולוגית optoacoustic והתרגום הקליני שלה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
π-FBG	Teraxion Inc.		מכשיר בהתאמה אישית
כדורים מיקרוסקופיים	Cospheric LLC	BKPMS 90-106um- 10g	100 ומיקרו; מיקרוספירות פוליאתילן
לייזר דופק פמטו-שנייה המשמש לחקירה	Menlo Systems GmbH	T-Light Femtosecond לייזר
מסנן אופטי	Optoplex Corporation	מסנן אופטי מתכוונן 2 יציאות (50 GHz)
מגבר אופטי	Amonics	AEDFA-PM-PA-35-B-FC	ספסל 35dB רווח קדם מגבר קיטוב שמירה על EDFA
מצמד 50/50	OZ-Optics	Fused-22-1550-8/125-50/ 50-3S3S3S3S-3-0.5-PM	מפצל סיבים התמזג 2 x 2 עם אורך 0.5 מטר, 3 מ"מ OD PVC בציפוי 1,550 ננומטר 8/125μ צמות סיבים PM, יחס מפוצל של 50/50 בצירים האיטיים של סיבי PM ועם מחברי סופר FC/PC ביציאות all .
מחזיק סיבים	Thorlabs	T711/M-250	מטרי, מהדק סיבים הניתן להרכבה לאחר הרכבה, 250 ומיקרו; מ
Agar למיקרוביולוגיה	Sigma Aldrich	05039-500G
לייזר דופק ננו-שניות המשמש להפקת האותות האופטואקוסטיים	Opotek	VIBRANT Arrow 532 סוג I
מוט גרפיט	Faber-Castell	120700	Faber-Castell מובילי עיפרון - 0.7 מ"מ