Wideband rivelatore ottico di ultrasuono per applicazioni Medical Imaging

Sommario

Rilevazione ottica degli ultrasuoni è impraticabile in molti scenari di imaging, perché spesso richiede condizioni ambientali stabili. Dimostriamo una tecnica ottica per il rilevamento a ultrasuoni in ambienti volatili con miniaturizzazione e sensibilità livelli appropriati per l'imaging optoacoustic in scenari restrittive, come ad esempio le applicazioni intravascolari.

Abstract

Sensori ottici di ultrasuoni sono una promettente alternativa alle tecniche piezoelettrici, come è stato recentemente dimostrato nel campo dell'imaging optoacoustic. In applicazioni mediche, una delle principali limitazioni della tecnologia di rilevamento ottico è la sua sensibilità alle condizioni ambientali, ad esempio variazioni di pressione e temperatura che si possono saturare il rilevamento. Inoltre, l'ambiente clinico spesso impone limiti rigorosi sulle dimensioni e la robustezza del sensore. In questo lavoro, la combinazione di interferometria impulso e rilevamento ottico a base di fibre è dimostrato per il rilevamento a ultrasuoni. Pulse interferometria permette solido andamento del sistema di lettura in presenza di rapide variazioni delle condizioni ambientali, mentre l'uso di tecnologia interamente fibra porta ad un elemento sensibile meccanicamente flessibile compatibile con altamente esigenti applicazioni mediche come l'imaging intravascolare. Al fine di conseguire una breve lunghezza del sensore, unfibra pi-sfasato reticolo di Bragg è usato, che agisce come un risonatore intrappolare luce su una lunghezza utile di 350 micron. Per attivare elevata larghezza di banda, il sensore viene utilizzato per il rilevamento sideway di ultrasuoni, che è estremamente utile in geometrie di imaging circonferenza come l'imaging intravascolare. Una configurazione di imaging optoacoustic viene utilizzato per determinare la risposta del sensore per sorgenti puntiformi acustiche in posizioni diverse.

Introduzione

Rilevatori ultrasuoni svolgono un ruolo fondamentale in molte applicazioni di imaging. Convenzionalmente, ultrasuoni viene rilevata da trasduttori piezoelettrici che trasformano onde di pressione in segnali di tensione ^1. Nell'imaging optoacoustic, ultrasuoni viene generato tramite un processo di espansione termica illuminando l'oggetto con alta potenza a luce modulata ^2-6. Sebbene trasduttori piezoelettrici sono il metodo di scelta nelle applicazioni optoacoustic, il loro uso spesso ostacola miniaturizzazione soprattutto perché trasduttori piezoelettrici miniaturizzati sono spesso caratterizzate da una bassa sensibilità. Inoltre, poiché trasduttori piezoelettrici sono otticamente opachi, possono interferire pesantemente con la consegna di luce all'oggetto ripreso, possibilità di configurazioni di imaging utilizzabili limitante. Luce che viene retrodiffusa dall'oggetto al trasduttore può anche limitare la corretta rilevazione di ultrasuoni e complicare la progettazione del sistema di imaging a causa parasit otticamente indottaic segnala nel trasduttore ^7.

Rivelatori ottici di ultrasuoni sono stati riconosciuti come una possibile alternativa di trasduttori piezoelettrici, che offre molti vantaggi in scenari di imaging optoacoustic ^8-12: Spesso sono trasparenti e possono essere di solito miniaturizzati, senza perdita di sensibilità. Il principio di funzionamento dei rilevatori ottici è rilevazione interferometrica della deformazione minuto creato nel mezzo ottico a causa della presenza di ultrasuoni. Spesso, risonatori ottici sono utilizzati per migliorare la sensibilità di rilevamento intrappolando luce nel mezzo perturbato per durate estese, aumentando così l'effetto della deformazione sulla fase del segnale ottico. In tali casi, schemi di rilevazione ottici si basano sulle variazioni di monitoraggio nella lunghezza d'onda di risonanza, che sono direttamente connessi a strutturare deformazioni nel risonatore. Più comunemente, vengono utilizzate tecniche stretta linewidth onda continua (CW) in cui un laser CW è sintonizzato al secoloe risonanza lunghezza d'onda. Piccoli spostamenti nella lunghezza d'onda di risonanza cambiare la posizione relativa della lunghezza d'onda del laser all'interno della risonanza, causando variazioni nell'intensità del / luce laser riflessa trasmessa, che può essere facilmente controllata. Tuttavia, se i turni di risonanza sono troppo forti, ad esempio a causa dei forti variazioni di pressione, temperatura e vibrazioni, la risonanza può spostarsi completamente dalla lunghezza d'onda del laser, saturando efficacemente il rivelatore ^13.

Pulse interferometria ¹⁴ offre una soluzione per la limitazione di saturazione del segnale e permette un rilevamento ultrasuoni in condizioni ambientali volatili. A differenza di restringere-linewidth regimi CW, impulso interferometria utilizza una sorgente di impulsi a banda larga per illuminare il risonatore. In questo caso, il risonatore agisce come un filtro passa-banda, trasmettendo solo le lunghezze d'onda corrispondenti alla propria frequenza di risonanza, mentre la risonanza sposta unri rilevata misurando le variazioni di lunghezza d'onda del segnale ottico in uscita del risonatore, ad esempio utilizzando un interferometro Mach-Zehnder bloccato quadratura ^14,15. Un circuito di reset automatico viene utilizzato per ripristinare immediatamente il punto di lavoro del interferometro in caso di smarrimento a causa dell'estrema variabilità delle condizioni ambientali. A causa della relativamente ampia larghezza di banda della sorgente, la lunghezza d'onda di risonanza rimane all'interno della banda illuminato anche sotto forti perturbazioni, consentendo un funzionamento stabile rivelatore anche in condizioni ambientali difficili. L'utilizzo di una sorgente coerente per l'interrogazione, cioè impulsi ottici, facilita la rilevazione a basso rumore.

Il corrispondente sistema interferometria impulso utilizzato nei nostri esperimenti è mostrato in Figura 1. L'impulso laser utilizzato per l'interrogazione prodotto 90 impulsi FSEC cadenza di ripetizione di 100 MHz, con potenza di uscita di 60 mW e larghezza spettrale di oltre 100nm. Il filtro ottico aveva una larghezza spettrale FWHM di circa 0,4 nm ed era sintonizzato alla frequenza di risonanza. Seguendo il filtro, un amplificatore ottico è stato utilizzato per compensare la perdita significativa nel filtraggio. Filtraggio supplementare è stato applicato dopo la fase di amplificazione per ridurre l'emissione spontanea amplificata dall'amplificatore. Il risonatore utilizzato nei nostri esperimenti è un pi-sfasato fibra a reticolo di Bragg (π-FBG) ^8, prodotto da Teraxion Inc. In particolare per l'applicazione medica di rilevamento ultrasuoni, π-FBGs hanno il vantaggio di essere tutti i componenti in fibra, e quindi robusta e piccola. Figura 2 mostra un confronto tra le dimensioni della fibra ottica utilizzata in questo lavoro e 15 MHz ultrasuoni intravascolare miniaturizzato (IVUS) trasduttore piezoelettrico. Alcuni approcci alternativi di rilevamento basato risonanza, come risonatori micro-ring fabbricati in guide d'onda planari, richiedono fibre accoppiamento al componente diingresso e uscita, sia portando a dispositivi più fragili o ostacolare miniaturizzazione. Al contrario, π-FBGs sono in fibra di componenti, e non richiedono l'accoppiamento fibra supplementare. La risonanza in π-FBGs viene creato dal sfasamento pi nel loro centro; luce è intrappolato intorno sfasamento pi sopra porzione della fibra che è notevolmente più corta della lunghezza del reticolo stesso. Nei nostri esperimenti, il π-FBG aveva una lunghezza di 4 mm e coefficiente di accoppiamento di κ = 2 millimetri ^-1 e la sua sensibilità è stato distribuito in modo non uniforme lungo la sua lunghezza, con la sensibilità esponenziale decrescente dal centro della griglia con un tasso di κ . La larghezza piena-metà del massimo (FWHM) della distribuzione sensibilità (SD) era di circa 350 micron. La larghezza di risonanza del reticolo è determinata sia la sua lunghezza e il suo coefficiente di accoppiamento secondo la seguente equazione:

dove λ è la lunghezza d'onda di risonanza e n _eff è l'indice di rifrazione efficace del modo guidato nella fibra ^8.

Per valutare se il rilevatore π-FBG è appropriato per applicazioni di imaging, la sua risposta spazialmente dipendente deve essere misurata su un'ampia banda di frequenze. Tuttavia, questo compito è estremamente difficile quando si utilizzano tecniche acustiche convenzionali. Abbiamo quindi impiegare un metodo per optoacoustic rilevatore ultrasuoni caratterizzazione ¹⁶ in cui una sfera microscopica scuro incorporato in agar trasparente funge da sorgente puntiforme optoacoustic. Nel nostro esperimento, la sfera microscopica ha un diametro di circa 100 micron ed è illuminata con alto potere nanosecondi impulsi ottici con una frequenza di ripetizione di 10 Hz, durata dell'impulso di circa 8 nsec, e potenza media di 200 mW. L'energia ottica depositato nel SPH microscopicaeres genera segnali a banda larga ultrasuoni causa l'effetto optoacoustic. Il rivelatore π-FBG è tradotto relativamente alla sfera microscopica avere la sua risposta acustica spazialmente dipendente. Figura 3 mostra un esempio dell'esperimento optoacoustic. Generalmente, questa tecnica può essere utilizzata per individuare i diversi tipi di rivelatori ad ultrasuoni.

Protocollo

1. Optoacoustic Caratterizzazione del rivelatore π-FBG

1. Preparazione di una sfera microscopica sospesa in agar:
   1. Mescolare la polvere di agar (1,3% in peso) con acqua distillata in un bicchiere di vetro. Utilizzare un dispositivo magnetico-agitatore piastra calda per riscaldare la soluzione vicino a temperatura di ebollizione e sciogliere la polvere di agar fino a quando la soluzione diventa limpida e priva di bolle d'aria. In alternativa, la soluzione di agar può essere riscaldato con un forno convenzionale con agitazione eseguita manualmente mediante una bacchetta di vetro. Versare la soluzione calda in uno stampo di plastica, ad esempio, la siringa con la punta tagliata fuori.
   2. Cospargere una piccola quantità di sfere microscopiche sulla soluzione agar e attendere che la soluzione solidifica completamente. Prendere il solido fantasma agar dallo stampo spingendo lo stantuffo.
   3. Visualizza il fantasma sotto un microscopio stereoscopico tagliare un pezzetto di agar che contiene una singola sfera microscopica.
   4. Ripetere passo 1.1.1 e aggiungere to la soluzione di agar agar pezzo solido contenente sfera microscopica singolo.
   5. Dopo solidificazione, intercettato fantasma agar al microscopio tale che la sfera microscopica si trova vicino alla superficie del fantoccio.
2. Misurazione Optoacoustic
   1. Utilizzare due supporti in fibra v-scanalatura per tenere la fibra saldamente su entrambi i lati del π-FBG, e collegato al detentore di un dimensionale (XYZ) Traduzione terza fase del computer a comando. Assicurarsi che la fibra è sommerso per consentire la propagazione degli ultrasuoni.
   2. Trovare la posizione approssimativa del rilevamento dell'elemento π-FBG illuminando diverse parti della fibra con il fascio laser nanosecondo impulsi ad alta potenza. L'assorbimento ottico del rivestimento, per quanto debole, creerà un segnale quando l'illuminazione viene eseguita sul π-FBG.
   3. Posizionare la sfera microscopica agar-embedded direttamente sotto il π-FBG. La sfera microscopica dovrebbe essere visibile ad occhio nudo.
   4. Utilizzando la fase di traduzione, eseguire una scansione 2D del π-FBG nel piano parallelo al terreno per trovare la posizione in cui il segnale dalla sfera microscopico è più forte e la sua temporizzazione corrispondente è minore.
   5. Eseguire ultimi aggiustamenti per l'illuminazione per fornire la massima potenza alla sfera microscopica.
   6. Utilizzando la fase di traduzione eseguire una scansione 3D del π-FBG e registrare il segnale per ogni posizione.
   7. Per avere la risposta in frequenza spazialmente dipendente del rivelatore di ultrasuoni, eseguire la trasformata di Fourier del segnale a ultrasuoni nel dominio del tempo registrata.

2. Stima della robustezza e la sensibilità delle prestazioni del rivelatore π-FBG

1. Utilizzare due supporti in fibra v-scanalatura per tenere la fibra saldamente su entrambi i lati del π-FBG e immergere il π-FBG.
2. Posizionare una piastra scura o una bacchetta di grafite robusta per affrontare il π-FBG e illuminarlo spiritoh l'alta potenza nanosecondi-fascio laser per creare un campo acustico forte.
3. Mettere una pompa d'acqua all'interno del serbatoio dell'acqua e accenderlo per creare rapide variazioni delle condizioni ambientali.
4. Per stimare la robustezza del sistema, misurare l'uscita con il circuito di blocco attivato sia dentro che fuori. Quando viene eseguita alcuna chiusura, non è possibile rilevare con precisione il segnale ultrasonico.
5. Spegnere la pompa dell'acqua off.
6. Per stimare il beneficio della sensibilità a causa della elevata coerenza della sorgente, sostituire il laser ad impulsi a banda larga con una sorgente coerenza basso e ripetere la misurazione acustica. Una diminuzione di oltre un ordine di grandezza della sensibilità è previsto quando viene utilizzata la sorgente a bassa coerenza.

Risultati

Figure 4a e 4b mostrano rispettivamente i segnali ei loro spettri corrispondente dalla sfera microscopica ad una distanza di 1 mm dalla fibra per tre offset dal centro del π-FBG. Gli offset sono riportati nella direzione z, come illustrato nella Figura 3. Chiaramente, la sensibilità del rilevatore ottico a ultrasuoni ad alta frequenza (f> 6 MHz) è anisotropo ed è più alta quando il centro del π-FBG è direttamente sopra la sfera microscopica . Nonostante l'alto disada...

Discussione

In conclusione, si introduce un nuovo metodo ottico per il rilevamento ad ultrasuoni, che si basa sulla combinazione di un π-FBG e impulsi interferometria. La tecnica è particolarmente adatta per applicazioni di imaging optoacoustic causa della trasparenza dell'elemento sensibile, che ha la quasi arbitrari schemi di illuminazione oggetto. Al contrario, rilevatori ultrasuoni piezoelettrici base standard sono opachi e quindi bloccare alcuni dei percorsi ottici all'oggetto ripreso, portando a configurazioni di imag...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
π-FBG	Teraxion Inc.		Dispositivo su misura
Sfere microscopiche	Cospheric LLC	BKPMS 90-106um- 10g	100 µ m microsfere di polietilene
Laser a impulsi a femtosecondi utilizzato per l'interrogazione	Menlo Systems GmbH	T-Light Laser a femtosecondi
Filtro ottico	Optoplex Corporation	Filtro ottico sintonizzabile a 2 porte (50 GHz)
Amplificatore ottico	Amonics	AEDFA-PM-PA-35-B-FC	Da banco 35dB Guadagno Pre Amp Polarizzazione Mantenimento EDFA
Accoppiatore 50/50	OZ-Optics	FUSED-22-1550-8/125-50/ 50-3S3S3S3S3S-3-0.5-PM	Splitter in fibra fusibile 2 x 2 con 0,5 metri di lunghezza, 3 mm OD PVC rivestito 1.550 nm 8/125μ Trecce in fibra PM, rapporto di divisione 50/50 sugli assi lenti delle fibre PM e con connettori super FC/PC su porte all .
Supporto per fibra	Thorlabs	T711/M-250	Metrico, morsetto per fibra montabile, 250 & micro; m
Agar per microbiologia	Sigma Aldrich	05039-500G
Laser a impulsi nanosecondi utilizzato per generare i segnali optoacustici	Opotek	VIBRANT Arrow 532 tipo I
Asta in grafite	Faber-Castell	120700	Faber-Castell Mine per matite - 0,7 mm