Wideband Optische Detector van Echografie voor Medical Imaging Applications

Samenvatting

Optische detectie van ultrageluid is onpraktisch in veel beeldvorming scenario's omdat het vaak vereist stabiele omgevingsomstandigheden. We tonen een optische techniek voor ultrasone detectie in volatiele omgevingen met miniaturisatie en gevoeligheid niveaus geschikt voor opto-akoestische beeldvorming in restrictieve scenario's, bijvoorbeeld intravasculaire toepassingen.

Samenvatting

Optische ultrasone sensoren zijn een veelbelovend alternatief voor piëzo-elektrische technieken, is onlangs aangetoond in het gebied van opto-akoestische beeldvorming. In medische toepassingen, een van de belangrijkste beperkingen van optische detectie technologie is de gevoeligheid voor omgevingsinvloeden, zoals veranderingen in druk en temperatuur, waarbij de detectie kunnen verzadigen. Bovendien, de klinische omgeving stelt vaak strenge beperkingen op de omvang en de robuustheid van de sensor. In dit werk is de combinatie van puls interferometrie en glasvezel gebaseerde optische detectie aangetoond voor ultrasone detectie. Pulse interferometrie kunnen gunstige resultaten van de uitlezing systeem in aanwezigheid van snelle veranderingen in de omgevingsomstandigheden, terwijl het gebruik van vezel technologie leidt tot een mechanisch flexibele meetelement Geschikt veeleisende medische toepassingen zoals intravasculaire beeldvorming. Om een ​​korte lengte sensor te bereiken, eenpi-fase-verschoven vezel Bragg rooster wordt gebruikt, die als resonator vangen licht over een effectieve lengte van 350 urn. Om hoge bandbreedte mogelijk, wordt de sensor voor zijdelingse detectie van ultrageluid, hetgeen zeer gunstig in omtreksrichting beeldvorming geometrieën zoals intravasculaire beeldvorming. Een opto-akoestische beeldvorming instelling wordt gebruikt om de reactie van de sensor voor akoestische puntbronnen op verschillende posities te bepalen.

Inleiding

Echografie detectoren spelen een belangrijke rol in veel grafische toepassingen. Conventioneel wordt gedetecteerd door ultrasone piëzo-elektrische transducers, die drukgolven omzetten in spanningssignalen ^1. In opto-akoestische beeldvorming, wordt ultrageluid gegenereerd via een proces van thermische uitzetting door het verlichten van het object met een hoog vermogen gemoduleerd licht ^2-6. Hoewel piëzo-elektrische transducers zijn de werkwijze van keuze in opto-akoestische toepassingen, het gebruik ervan belemmert vaak miniaturisatie vooral omdat geminiaturiseerde piëzo-elektrische transducers worden vaak gekenmerkt door lage gevoeligheid. Bovendien, aangezien piëzo-elektrische transducers zijn optisch ondoorzichtig, ze kunnen ernstig interfereren met licht levering aan de afgebeelde object, het beperken van de mogelijkheden voor bruikbare imaging configuraties. Licht dat wordt terug-verstrooid van het object naar de omzetter mag de goede detectie van ultrageluid beperken en compliceren het ontwerp van het beeldvormingssysteem door optisch geïnduceerde parasitic signalen in de omzetter ^7.

Optische detectoren van ultrageluid zijn erkend als een mogelijk alternatief voor piëzo-elektrische transducers die veel voordelen in opto-akoestische beeldvorming scenario ^8-12 biedt: Ze zijn vaak transparant en kan meestal worden verkleind zonder verlies van gevoeligheid. Het werkingsprincipe van de optische detektoren is interferometrische detectie van draaiende vervorming die in het optische medium door de aanwezigheid van ultrageluid. Vaak worden optische resonatoren gebruikt detectiegevoeligheid verbeteren door vangen licht in het verstoorde medium voor uitgebreide perioden, waardoor het effect van de vervorming van de fase van het optische signaal. In die gevallen zijn optische detectie regelingen gebaseerd op controle variaties in de resonantie golflengte, die rechtstreeks verband houden vervormingen te structureren in de resonator. Meestal worden smalle lijnbreedte continuous wave (CW) technieken gebruikt, waarin een CW-laser is afgestemd aan ee resonantie golflengte. Kleine verschuivingen in de resonantiegolflengte de relatieve positie van de golflengte van de laser binnen de resonantie verandert om variaties veroorzaakt in de intensiteit van de uitgezonden / gereflecteerde laserlicht, dat gemakkelijk kan worden gecontroleerd. Indien de resonantie verschuivingen te sterk, bijvoorbeeld als grote variaties in druk, temperatuur of trillingen, de resonantie kunnen geheel verschuiven van de golflengte van de laser, effectief verzadigen van de detector ^13.

Pulse interferometrie ¹⁴ biedt een oplossing voor de beperking van signaalverzadiging en maakt ultrasone detectie vluchtige onder omgevingsomstandigheden. In tegenstelling tot lijnbreedte smal CW regelingen puls interferometrie gebruik van een breedband pulsbron de resonator verlichten. In dit geval, de resonator werkt als een banddoorlaatfilter, verzenden alleen golflengten die overeenkomen met de resonantiefrequentie, terwijl de resonantie verschuiftopnieuw gedetecteerd door meting van de golflengte variaties in het optische signaal aan de uitgang van de resonator, bijv. door gebruik van een Mach-Zehnder interferometer vergrendeld kwadratuur ^14,15. Een automatische reset circuit wordt gebruikt voor het werkpunt van de interferometer in de zaak wordt verloren als gevolg van extreme variatie in omgevingscondities onmiddellijk te herstellen. Vanwege de relatief grote bandbreedte van de bron, de resonantie golflengte blijft binnen de verlichte band zelfs onder sterke verstoringen, waardoor een stabiele werking van de detector, zelfs onder zware omgevingscondities. Het gebruik van een coherente bron voor ondervraging, namelijk optische pulsen, maakt geluidsarme detectie.

De overeenkomstige puls interferometriesysteem in onze experimenten is weergegeven in figuur 1. De pulslaser zoeken gebruikte geproduceerde 90 FSEC pulsen met een herhalingsfrequentie van 100 MHz bij een uitgangsvermogen van 60 mW en spectrale breedte van meer dan 100nm. De optische filter had een FWHM spectrale breedte van ongeveer 0,4 nm en is afgestemd op de frequentie van de resonantie. Nadat het filter is een optische versterker gebruikt ter compensatie van de aanzienlijke verliezen in de filter. Extra filtering werd toegepast na de versterking stadium versterkte spontane emissie te verminderen van de versterker. De resonator die in onze experimenten is een pi-fase verschoven vezel Bragg grating (π-FBG) ^8, vervaardigd door Teraxion Inc name voor de medische toepassing van ultrageluid aftasten, π-FBG's hebben het voordeel dat alle componenten vezels, en zo robuust en klein. Figuur 2 toont een vergelijking van de afmetingen van de optische vezel die in dit werk en 15 MHz geminiaturiseerde intravasculaire ultrasound (IVUS) piëzo-elektrische omvormer. Sommige alternatieve resonantie gebaseerde detectie benaderingen zoals micro-ringresonatoren vervaardigd in vlakke golfgeleiders vereisen koppeling vezels bij de componentinput en output, hetzij leidt tot zwakkere apparaten of belemmeren miniaturisatie. Daarentegen π-FBG's in-componenten vezels, en geen extra vezel koppeling vereisen. De resonantie in π-FBG's wordt gecreëerd door de pi faseverschuiving in hun midden; licht wordt gevangen in de pi faseverschuiving boven gedeelte van de vezel die aanzienlijk korter is dan de lengte van het raster zelf. In onze experimenten, de π-FBG had een lengte van 4 mm en koppeling coëfficiënt κ = 2 mm ^-1 en de gevoeligheid is niet gelijkmatig verdeeld over de lengte, de gevoeligheid exponentieel afneemt van midden het rooster met een snelheid van κ . De volle breedte half maximum (FWHM) van de gevoeligheidsverdeling (SD) was ongeveer 350 urn. De resonantie breedte van het rooster wordt bepaald door zowel de lengte en de koppeling coëfficiënt volgens de volgende vergelijking:

(1)
waarbij λ de golflengte resonantie en n _eff is de effectieve brekingsindex van de modus geleid in de vezel ^8.

Om te beoordelen of de π-FBG detector is geschikt voor grafische toepassingen, zijn ruimtelijk afhankelijke respons moet worden gemeten over een brede frequentieband. Echter, deze taak is zeer uitdagend wanneer conventionele akoestische technieken worden gebruikt. Wij gebruiken dan ook een opto-akoestische methode voor ultrageluiddetector karakterisering ¹⁶ waarin een donkere microscopische bol ingebed in transparante agar dient als een opto-akoestische puntbron. In ons experiment de microscopische bol heeft een diameter van ongeveer 100 urn en wordt verlicht met hoog vermogen nanoseconde optische pulsen met een herhalingsfrequentie van 10 Hz, een pulsduur van ongeveer 8 nsec, en gemiddeld vermogen van 200 mW. De optische energie afgezet in de microscopische spheres genereert breedband ultrasone signalen als gevolg van de opto-akoestische effect. De π-FBG detector relatief vertaald naar de microscopische gebied zijn ruimtelijk afhankelijke akoestische respons te verkrijgen. Figuur 3 toont een illustratie van de opto-akoestische experiment. In het algemeen kan deze techniek worden gebruikt om verschillende soorten ultrasone detectoren karakteriseren.

Protocol

1. Opto-akoestische Karakterisering van de π-FBG Detector

1. Bereiding van een microscopische bol gesuspendeerd in agar:
   1. Meng agar poeder (1,3% in gewicht) met gedestilleerd water in een bekerglas. Gebruik een hete plaat magnetische roerder apparaat aan de oplossing dicht bij kooktemperatuur te verwarmen en los de agar poeder tot de oplossing helder en vrij van luchtbellen. Alternatief kan de agar oplossing verwarmd met een conventionele magnetron onder roeren uitgevoerd handmatig te glasstaaf. Giet de hete oplossing in een plastic mal, bijv. spuit met de punt uitgesneden.
   2. Strooi een kleine hoeveelheid microscopische bolletjes op de agar-oplossing en wacht tot de oplossing volledig stolt. Neem de vaste agar fantoom uit de vorm van de zuiger.
   3. Bekijk het fantoom onder een stereoscopische microscoop snijd een klein stukje agar die een enkele microscopische bol bevat.
   4. Herhaal stap 1.1.1 en voeg to de agaroplossing de vaste agar stuk met de enkele microscopische bol.
   5. Na het stollen, snijd de agar fantoom onder de microscoop zodanig dat de microscopische gebied ligt dicht bij het oppervlak van de Phantom.
2. Opto-akoestische meting
   1. Gebruik twee V-groef vezelhouders de vezel stevig vasthouden aan beide zijden van de π-FBG, en verbonden met de houder een driedimensionale (XYZ) vertaling computergestuurde fase. Controleer of de vezel wordt ondergedompeld tegen verspreiding van ultrageluid mogelijk.
   2. Vind de geschatte locatie van het registrerende element π-FBG door lichtdoorlatende verschillende delen van de vezel met de hoogvermogen nanoseconde puls laserbundel. De optische absorptie van de bekleding echter zwak, zal afgeven wanneer de belichting wordt uitgevoerd op de π-FBG.
   3. Plaats de-agar ingebedde microscopische gebied direct onder de π-FBG. De microscopische bol moet zichtbaar zijn voor het blote oog.
   4. De translatietrap Voer een 2D scan van de π-FBG in het vlak evenwijdig aan de grond op de locatie waar het signaal van de microscopische bol sterkste en de bijbehorende vertragingstijd kortste voorbeeld.
   5. Voer de laatste aanpassingen aan de verlichting om maximaal vermogen te leveren aan de microscopische bol.
   6. Met behulp van de vertaling podium uitvoeren van een 3D-scan van de π-FBG en registreer het signaal voor elke positie.
   7. Om de ruimtelijk afhankelijke frequentierespons van de ultrasone detector verkrijgen, voert de Fourier transformatie van de opgenomen tijd-domein ultrasone signaal.

2. Schatting van robuustheid en gevoeligheid van de prestaties van de π-FBG Detector

1. Gebruik twee V-groef vezelhouders de vezel stevig vasthouden aan beide zijden van de π-FBG en onderdompelen π-FBG.
2. Plaats een donkere plaat of een grafiet staaf stevig aan de π-FBG gezicht en verlichten het with de high-power nanoseconde-pulse laserstraal om een ​​sterk akoestisch veld te creëren.
3. Plaats een waterpomp in het waterreservoir en zet hem aan om een ​​snelle variaties in de omgevingscondities te creëren.
4. Om de robuustheid van het systeem te schatten, het meten van de output met de vergrendeling circuit draaide zowel op als buiten. Als er geen vergrendeling wordt uitgevoerd, is het niet mogelijk om het ultrasone signaal nauwkeurig te detecteren.
5. Draai de waterpomp af.
6. Schatten het voordeel gevoeligheid door de hoge coherentie van de bron, vervangt de breedband pulsen laser met lage coherentie bron en herhaal de geluidsmeting. Een afname van meer dan een orde van grootte in gevoeligheid verwacht wanneer de laag samenhang bron wordt gebruikt.

Resultaten

Figuren 4a en 4b tonen respectievelijk de signalen en de overeenkomstige spectra van het microscopische gebied op een afstand van 1 mm van de vezel drie offsets van het centrum van de π-FBG. De verschuivingen worden gegeven in de z-richting, zoals weergegeven in figuur 3. Duidelijk gevoeligheid van de optische detector om hoogfrequente ultrageluid (f> 6 MHz) anisotroop en het hoogst wanneer het midden van de π-FBG is direct boven het microscopische gebied . Ondanks d...

Discussie

Tot slot wordt een nieuwe optische methode voor ultrageluiddetectie ingevoerd, dat gebaseerd is op een combinatie van een π-FBG en polsslag interferometrie. De techniek is bijzonder geschikt voor opto-akoestische beeldvorming toepassingen wegens de doorzichtigheid van het opneemelement, die bijna willekeurige objectverlichting patronen mogelijk maakt. Daarentegen standaard piëzo gebaseerde ultrasone detectoren zijn ondoorzichtig en dus blokkeren sommige optische paden naar het afgebeelde object, waardoor omvangrijke bee...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
π-FBG	Teraxion Inc.		Op maat gemaakt apparaat
Microscopische sferen	Cospheric LLC	BKPMS 90-106um- 10g	100 µm polyethyleen microsferen
Femto-seconde pulslaser gebruikt voor ondervraging	Menlo Systems GmbH	T-Light Femtosecond Laser
Optische filter	Optoplex Corporation	2-Port Optical Tunable Filter (50 GHz)
Optische versterker	Amonics	AEDFA-PM-PA-35-B-FC	Benchtop 35dB Gain Pre Amp Polarisatiebehoudende EDFA
50/50 koppeling	OZ-Optics	FUSED-22-1550-8/125-50/ 50-3S3S3S3S-3-0.5-PM	Gevuseerde 2 x 2 vezel splitter met 0,5 meter lange, 3 mm OD PVC gemantelde 1.550 nm 8/125μ PM vezel pigtails, 50/50 splitsingsverhouding in de trage assen van PM vezels en met super FC/PC connectoren op alle poorten.
Vezelhouder	Thorlabs	T711/M-250	Metrisch, Post-Mountable Fiber Clamp, 250 µm
Agar voor microbiologie	Sigma Aldrich	05039-500G
Nano-seconde pulslaser gebruikt voor het genereren van de opto-akoestische signalen	Opotek	VIBRANT Arrow 532 type I
Grafietrod	Faber-Castell	120700	Faber-Castell Potloodpunten - 0,7 mm