Szerokopasmowy detektor optyczny ultradźwięków do zastosowań w obrazowaniu medycznym

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

doi:10.3791/50847

Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Szerokopasmowy detektor optyczny ultradźwięków do zastosowań w obrazowaniu medycznym

11K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50847

⸱

11 maja 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

W tym artykule

Podsumowanie

Optyczne wykrywanie ultradźwięków jest niepraktyczne w wielu scenariuszach obrazowania, ponieważ często wymaga stabilnych warunków środowiskowych. Demonstrujemy technikę optyczną wykrywania ultradźwięków w niestabilnych środowiskach z miniaturyzacją i poziomami czułości odpowiednimi dla obrazowania optoakustycznego w restrykcyjnych scenariuszach, np. w zastosowaniach wewnątrznaczyniowych.

Streszczenie

Optyczne czujniki ultradźwięków są obiecującą alternatywą dla technik piezoelektrycznych, co zostało ostatnio zademonstrowane w dziedzinie obrazowania optoakustycznego. W zastosowaniach medycznych jednym z głównych ograniczeń technologii czujników optycznych jest jej podatność na warunki środowiskowe, np. zmiany ciśnienia i temperatury, które mogą nasycić detekcję. Ponadto środowisko kliniczne często nakłada rygorystyczne ograniczenia na rozmiar i wytrzymałość czujnika. W niniejszej pracy zademonstrowano połączenie interferometrii impulsowej i światłowodowej detekcji optycznej w detekcji ultradźwiękowej. Interferometria impulsowa umożliwia niezawodne działanie systemu odczytu w przypadku gwałtownych zmian warunków środowiskowych, podczas gdy zastosowanie technologii całkowicie światłowodowej prowadzi do powstania mechanicznie elastycznego elementu czujnikowego kompatybilnego z bardzo wymagającymi zastosowaniami medycznymi, takimi jak obrazowanie wewnątrznaczyniowe. W celu uzyskania krótkiej długości czujnika zastosowano światłowodową siatkę Bragga z przesunięciem fazowym, która działa jak rezonator zatrzymujący światło na efektywnej długości 350 μm. Aby zapewnić dużą przepustowość, czujnik jest używany do bocznego wykrywania ultradźwięków, co jest bardzo korzystne w geometriach obrazowania obwodowego, takich jak obrazowanie wewnątrznaczyniowe. Konfiguracja obrazowania optoakustycznego służy do określenia odpowiedzi czujnika na punktowe źródła akustyczne w różnych pozycjach.

Wprowadzenie

Detektory ultradźwięków odgrywają kluczową rolę w wielu zastosowaniach obrazowania. Tradycyjnie ultradźwięki są wykrywane za pomocą przetworników piezoelektrycznych, które przekształcają fale ciśnienia w sygnały napięciowe¹. W obrazowaniu optoakustycznym ultradźwięki są generowane poprzez proces rozszerzalności cieplnej w wyniku oświetlenia obiektu wysokomocowym światłem modulowanym^2-6. Chociaż przetworniki piezoelektryczne są preferowaną metodą w zastosowaniach optoakustycznych, ich stosowanie często utrudnia miniaturyzację, głównie dlatego, że zminiaturyzowane przetworniki piezoelektryczne często charakteryzują się niską czułością. Dodatkowo, ponieważ przetworniki piezoelektryczne są nieprzezroczyste optycznie, mogą one znacząco zakłócać doprowadzanie światła do obrazowanego obiektu, co ogranicza możliwości stosowania użytecznych konfiguracji obrazowania. Światło rozproszone wstecznie od obiektu do przetwornika może również ograniczać prawidłową detekcję ultradźwięków i komplikować konstrukcję systemu obrazowania ze względu na optycznie indukowane sygnały pasożytnicze w przetworniku⁷.

Optyczne detektory ultradźwięków są uznawane za potencjalną alternatywę dla przetworników piezoelektrycznych, oferującą wiele korzyści w scenariuszach obrazowania optoakustycznego^8-12: często są one przezroczyste i zazwyczaj mogą być miniaturyzowane bez utraty czułości. Zasadą działania detektorów optycznych jest interferometryczna detekcja niewielkich odkształceń powstałych w ośrodku optycznym pod wpływem ultradźwięków. Często stosuje się rezonatory optyczne w celu zwiększenia czułości detekcji poprzez pułapkowanie światła w zaburzonym ośrodku przez dłuższy czas, co potęguje wpływ odkształcenia na fazę sygnału optycznego. W takich przypadkach schematy detekcji optycznej opierają się na monitorowaniu zmian długości fali rezonansowej, które bezpośrednio wiążą się z odkształceniami strukturalnymi w rezonatorze. Najczęściej stosuje się techniki ciągłej fali (CW) o wąskiej szerokości linii, w których laser CW jest nastrojony na długość fali rezonansowej. Niewielkie przesunięcia długości fali rezonansowej zmieniają względną pozycję długości fali lasera w obrębie rezonansu, co powoduje zmiany natężenia transmitowanego lub odbitego światła laserowego, które można łatwo monitorować. Jeśli jednak przesunięcia rezonansu są zbyt duże, np. z powodu znacznych wahań ciśnienia, temperatury lub wibracji, rezonans może całkowicie przesunąć się poza długość fali lasera, co w efekcie prowadzi do nasycenia detektora¹³.

Interferometria impulsowa¹⁴ stanowi rozwiązanie problemu nasycenia sygnału i umożliwia detekcję ultradźwięków w zmiennych warunkach środowiskowych. W przeciwieństwie do układów CW o wąskiej szerokości linii, interferometria impulsowa wykorzystuje szerokopasmowe źródło impulsów do oświetlenia rezonatora. W tym przypadku rezonator działa jako filtr pasmowo-przepustowy, transmitując tylko te długości fal, które odpowiadają jego częstotliwości rezonansowej, podczas gdy przesunięcia rezonansu są wykrywane poprzez pomiar zmian długości fali w sygnale optycznym na wyjściu rezonatora, np. przy użyciu interferometru Macha-Zehndera zablokowanego w kwadraturze^14,15. Układ automatycznego resetowania jest wykorzystywany do natychmiastowego przywrócenia punktu pracy interferometru w przypadku jego utraty z powodu ekstremalnych zmian warunków środowiskowych. Dzięki stosunkowo szerokiemu pasmu źródła, długość fali rezonansowej pozostaje w obrębie pasma oświetlenia nawet przy silnych perturbacjach, co umożliwia stabilną pracę detektora nawet w trudnych warunkach otoczenia. Zastosowanie spójnego źródła do odpytywania, tj. impulsów optycznych, ułatwia detekcję niskoszumową.

Odpowiedni układ interferometrii impulsowej wykorzystany w naszych eksperymentach przedstawiono na Rysunku 1. Laser impulsowy użyty do odpytywania generował impulsy o czasie trwania 90 fsec przy częstotliwości powtarzania 100 MHz, z mocą wyjściową 60 mW i szerokością widmową powyżej 100 nm. Filtr optyczny miał szerokość widmową FWHM wynoszącą około 0,4 nm i został dostrojony do częstotliwości rezonansu. Za filtrem zastosowano wzmacniacz optyczny w celu skompensowania znacznych strat wynikających z filtrowania. Po etapie wzmacniania zastosowano dodatkowe filtrowanie, aby zredukować wzmocnioną emisję spontaniczną ze wzmacniacza. Rezonatorem użytym w naszych eksperymentach jest światłowodowa sieć Bragga z przesunięciem fazy pi (π-FBG)⁸, wyprodukowana przez Teraxion Inc. W zastosowaniach medycznych do detekcji ultradźwięków sieci π-FBG mają tę zaletę, że są komponentami w pełni światłowodowymi, a tym samym wytrzymałymi i niewielkimi. Rysunek 2 przedstawia porównanie wymiarów światłowodu użytego w tej pracy z miniaturowym piezoelektrycznym przetwornikiem do wewnątrznacznego badania ultradźwiękowego (IVUS) o częstotliwości 15 MHz. Niektóre alternatywne podejścia do detekcji opartej na rezonansie, takie jak mikropierścieniowe rezonatory wykonane w falowodach planarnych, wymagają sprzężenia światłowodów na wejściu i wyjściu komponentu, co prowadzi albo do powstania bardziej delikatnych urządzeń, albo utrudnia miniaturyzację. W przeciwieństwie do nich, sieci π-FBG są komponentami wewnątrzświatłowodowymi i nie wymagają dodatkowego sprzężenia światłowodowego. Rezonans w sieciach π-FBG jest tworzony przez przesunięcie fazy pi w ich centrum; światło jest uwięzione wokół przesunięcia fazy pi na odcinku światłowodu, który jest znacznie krótszy niż długość samej sieci. W naszych eksperymentach sieć π-FBG miała długość 4 mm i współczynnik sprzężenia κ = 2 mm^-1, a jej czułość była rozłożona nierównomiernie wzdłuż długości, przy czym czułość malała wykładniczo od centrum sieci z szybkością κ. Pełna szerokość połówkowa (FWHM) rozkładu czułości (SD) wynosiła około 350 µm. Szerokość rezonansu sieci jest określona zarówno przez jej długość, jak i współczynnik sprzężenia zgodnie z następującym równaniem:

Równanie Delta lambda, Delta lambda = 2 lambda squared k exp(-kL) / pi n_eff. (1)
gdzie λ jest długością fali rezonansowej, a n_eff jest efektywnym współczynnikiem załamania światła mody prowadzonej w światłowodzie⁸.

Aby ocenić, czy detektor π-FBG nadaje się do zastosowań obrazowania, konieczne jest zmierzenie jego odpowiedzi zależnej od położenia w szerokim paśmie częstotliwości. Zadanie to jest jednak niezwykle trudne przy użyciu konwencjonalnych technik akustycznych. Dlatego zastosowano optoakustyczną metodę charakterystyki detektora ultradźwiękowego¹⁶, w której ciemna mikroskopijna sfera zatopiona w przezroczystym agarze służy jako optoakustyczne źródło punktowe. W naszym eksperymencie mikroskopijna sfera ma średnicę około 100 µm i jest naświetlana nanosekundowymi impulsami optycznymi o wysokiej mocy, z częstotliwością powtarzania 10 Hz, czasem trwania impulsu około 8 nsec i średniej mocy 200 mW. Energia optyczna dostarczona do mikroskopijnych sfer generuje szerokopasmowe sygnały ultradźwiękowe dzięki efektowi optoakustycznemu. Detektor π-FBG jest przesuwany względem mikroskopijnej sfery w celu uzyskania jego zależnej od położenia odpowiedzi akustycznej. Rycina 3 przedstawia schemat eksperymentu optoakustycznego. Generalnie technika ta może być wykorzystywana do charakterystyki różnych rodzajów detektorów ultradźwiękowych.