Name: Szerokopasmowy detektor optyczny ultradźwięków do zastosowań w obrazowaniu medycznym (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-05-11T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 21 s
Description: Poznaj szerokopasmowy detektor optyczny ultradźwięków z PI FBG i interferometrią impulsową do zastosowań w obrazowaniu medycznym. Ta metoda zapewnia wysoką odporność na drgania mechaniczne i zmiany środowiskowe.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

D. R. dziękuje za wsparcie ze strony Niemieckiej Fundacji Badawczej (DFG) Grantu Badawczego (RA 1848/1) oraz Grantu Startowego Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. V. N. dziękuje za wsparcie finansowe od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (European Research Council Advanced Investigator Award) oraz od BMBF's Innovation in Medicine Award.

1. Charakterystyka optoakustyczna detektora π-FBG
<ol>
	<li>Przygotowanie mikroskopijnej kulki zawieszonej w agarze
	<ol>
		<li>Wymieszaj proszek agarowy (1,3% masy) z wodą destylowaną w szklanej zlewce. Za pomocą mieszadła magnetycznego z płytą grzejną podgrzać roztwór w pobliżu temperatury wrzenia i rozpuścić proszek agarowy, aż roztwór stanie się klarowny i wolny od pęcherzyków powietrza. Alternatywnie, roztwór agaru można podgrzać za pomocą konwencjonalnej kuchenki mikrofalowej z mieszaniem wykonywanym ręcznie za pomocą szklanego mieszadła. Gorący roztwór wlewamy do plastikowej foremki, np. strzykawki z wyciętą końcówką.</li>
		<li>Posyp niewielką ilością mikroskopijnych kulek na roztwór agaru i poczekaj, aż roztwór całkowicie zastygnie. Wyjmij stały fantom agaru z formy, naciskając tłok.</li>
		<li>Obejrzyj fantom pod mikroskopem stereoskopowym, wytnij mały kawałek agaru, który zawiera pojedynczą mikroskopijną kulę.</li>
		<li>Powtórzyć krok 1.1.1 i dodać do roztworu agaru stały kawałek agaru zawierający pojedynczą mikroskopijną kulkę.</li>
		<li>Po zestaleniu należy przeciąć fantom agaru pod mikroskopem tak, aby mikroskopijna kula znajdowała się blisko powierzchni fantomu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiary optoakustyczne
	<ol>
		<li>Użyj dwóch uchwytów światłowodowych z rowkiem w kształcie litery V, aby mocno przytrzymać włókno po obu stronach π-FBG i podłącz uchwyt do trójwymiarowego (XYZ) stolika translacyjnego obsługiwanego przez komputer. Upewnij się, że włókno jest zanurzone, aby umożliwić propagację ultradźwięków.</li>
		<li>Znajdź przybliżoną lokalizację elementu detekcyjnego π-FBG, oświetlając różne części światłowodu wiązką lasera o dużej mocy z nanosekundowym impulsem. Absorpcja optyczna powłoki, jakkolwiek słaba, wytworzy sygnał, gdy oświetlenie zostanie wykonane na π-FBG.</li>
		<li>Umieść mikroskopijną kulę zatopioną w agarze bezpośrednio pod π-FBG. Mikroskopijna kula powinna być widoczna gołym okiem.</li>
		<li>Korzystając ze stolika translacji, wykonaj skan 2D π-FBG w płaszczyźnie równoległej do ziemi, aby znaleźć miejsce, w którym sygnał z mikroskopijnej kuli jest najsilniejszy, a odpowiadające mu opóźnienie czasowe jest najkrótsze.</li>
		<li>Wykonaj ostatnie regulacje oświetlenia, aby dostarczyć maksymalną moc do mikroskopijnej kuli.</li>
		<li>Korzystając z etapu translacji, wykonaj skan 3D π-FBG i zarejestruj sygnał dla każdej pozycji.</li>
		<li>Aby uzyskać przestrzennie zależną odpowiedź częstotliwościową detektora ultradźwiękowego, należy wykonać transformację Fouriera na zarejestrowanym sygnale ultrasonograficznym w dziedzinie czasu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Ocena niezawodności i czułości działania detektora π-FBG
<ol>
	<li>Użyj dwóch uchwytów na światłowody z rowkiem w kształcie litery V, aby mocno przytrzymać włókno po obu stronach π-FBG i zanurz π-FBG.</li>
	<li>Umieść ciemną płytkę lub grafitowy pręt solidnie w kierunku π-FBG i oświetl go wiązką laserową o dużej mocy z nanosekundowym impulsem, aby stworzyć silne pole akustyczne.</li>
	<li>Umieść pompę wodną w zbiorniku na wodę i włącz ją, aby spowodować gwałtowne zmiany warunków otoczenia.</li>
	<li>Aby oszacować solidność systemu, zmierz moc wyjściową przy włączonym i wyłączonym obwodzie blokującym. Gdy nie jest wykonywane blokowanie, nie jest możliwe dokładne wykrycie sygnału ultradźwiękowego.</li>
	<li>Wyłącz pompę wodną.</li>
	<li>Aby oszacować korzyści w zakresie czułości wynikające z wysokiej koherencji źródła, należy zastąpić szerokopasmowy laser impulsowy źródłem o niskiej koherencji i powtórzyć pomiar akustyczny. Oczekuje się spadku czułości o ponad rząd wielkości, gdy używane jest źródło o niskiej koherencji.</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>
<li>Ntziachristos, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Going+deeper+than+microscopy%3A+the+optical+imaging+frontier+in+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology.</a> Nature Methods. 7, 603-614 (2010).</li>
<li>Wang, L. H., Hu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+tomography%3A+In+vivo+imaging+from+organelles+to+organs%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic tomography: In vivo imaging from organelles to organs.</a> Science. 23, 1458-1462 (2012).</li>
<li>Sethuraman, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+imaging+using+an+IVUS+imaging+catheter%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic imaging using an IVUS imaging catheter.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 54, 978-986 (2007).</li>
<li>Rosenthal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optoacoustic+methods+for+frequency+calibration+of+ultrasonic+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Optoacoustic methods for frequency calibration of ultrasonic sensors.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 58, 316-326 (2011).</li>
<li>Rosenthal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-sensitivity+compact+ultrasonic+detector+based+on+a+pi-phase-shifted+fiber+Bragg+grating%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">High-sensitivity compact ultrasonic detector based on a pi-phase-shifted fiber Bragg grating.</a> Optics Letters. 36, 1833-1835 (2011).</li>
<li>Beard, P. C., Mills, T. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extrinsic+optical+fibre+ultrasound+sensor+using+a+thin+polymer+film+as+a+low+finesse+Fabry-Perot+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Extrinsic optical fibre ultrasound sensor using a thin polymer film as a low finesse Fabry-Perot interferometer.</a> Applied Optics. 35, 663-675 (1996).</li>
<li>Xiong Pernice, W. H. P., Tang, C., X, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+Q+micro-ring+resonators+fabricated+from+polycrystalline+aluminum+nitride+films+for+near+infrared+and+visible+photonics%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">High Q micro-ring resonators fabricated from polycrystalline aluminum nitride films for near infrared and visible photonics.</a> Optics Express. 20, 12261-12269 (2012).</li>
<li>Zhang, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Backward-mode+multiwavelength+photoacoustic+scanner+using+a+planar+Fabry-Perot+polymer+film+ultrasound+sensor+for+high-resolution+three-dimensional+imaging+of+biological+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner using a planar Fabry-Perot polymer film ultrasound sensor for high-resolution three-dimensional imaging of biological tissues.</a> Applied Optics. 47, 561-577 (2008).</li>
<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>
<li>Avino, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Musical+instrument+pickup+based+on+a+laser+locked+to+an+optical+fiber+resonator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics.+Express%22%5BJournal%5D)">Musical instrument pickup based on a laser locked to an optical fiber resonator.</a> Optics. Express. 19, 25057-25065 (2011).</li>
<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>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podsumowując, wprowadzono nową metodę optyczną detekcji ultradźwiękowej, która opiera się na połączeniu π-FBG i interferometrii impulsowej. Technika ta jest szczególnie przydatna w zastosowaniach obrazowania optoakustycznego ze względu na przezroczystość elementu czujnikowego, która umożliwia niemal dowolne wzory oświetlenia obiektów. W przeciwieństwie do tego, standardowe piezoelektryczne detektory ultradźwiękowe są nieprzezroczyste, a tym samym blokują niektóre ścieżki optyczne do obrazowanego obiektu, co prowadzi do n...

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 modulowanym2-6. 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 optoakustycznego8-12: 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 kwadraturze14,15. 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:
<img alt="Równanie Delta lambda, Delta lambda = 2 lambda squared k exp(-kL) / pi n_eff." fo:content-width="1.5in" src="/files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" width="150" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 1"> (1) 
gdzie λ jest długością fali rezonansowej, a neff 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.

<table><tbody><tr><td>&pi;-FBG</td><td>Teraxion Inc.</td><td></td><td>Urządzenie na zamówienie</td></tr><tr><td>: Mikroskopijne kulki</td><td>Cospheric LLC</td><td>BKPMS 90-106um- 10g</td><td>100 &micro; m mikrosfery polietylenowe</td></tr><tr><td>Laser impulsowy femtosekundowy używany do przesłuchań&nbsp;</td><td>Menlo Systems GmbH</td><td>T-Light Femtosekundowy laserowy</td><td></td></tr><tr><td>filtr optyczny</td><td>Optoplex Corporation</td><td>2-portowy optyczny filtr przestrajalny (50 GHz)</td><td></td></tr><tr><td>Wzmacniacz optyczny</td><td>Amonics</td><td>AEDFA-PM-PA-35-B-FC</td><td>Stacjonarny wzmacniacz wstępny o wzmocnieniu 35dB Polaryzacja utrzymująca EDFA&nbsp;</td></tr><tr><td>Łącznik 50/50</td><td>OZ-Optics</td><td>FUSED-22-1550-8/125-50/ 50-3S3S3S3S-3-0.5-PM</td><td>Rozdzielacz światłowodowy z bezpiecznikiem 2 x 2 o długości 0,5 metra, 3 mm OD PVC z płaszczem 1,550 nm 8/125&mu; Pigtaile PM fiber , współczynnik podziału 50/50 w wolnych osiach światłowodów PM oraz ze złączami super FC/PC na wszystkich portach .</td></tr><tr><td>Uchwyt światłowodu</td><td>Thorlabs</td><td>T711/M-250</td><td>metryczny, zacisk światłowodowy do montażu po montażu, 250 i mikro; m&nbsp;</td></tr><tr><td>Agar do mikrobiologii</td><td>Sigma Aldrich</td><td>05039-500G</td><td></td></tr><tr><td>Laser impulsowy nanosekundowy służący do generowania sygnałów optoakustycznych</td><td>Opotek</td><td>VIBRANT Arrow 532 typ I</td><td></td></tr><tr><td>Pręt grafitowy</td><td>Faber-Castell</td><td>120700</td><td>Ołówki Faber-Castell - 0,7 mm</td></tr></tbody></table>

szerokopasmowy detektor optyczny ultradźwięków do zastosowań w obrazowaniu medycznym

Wideband Optical Detector of Ultrasound for Medical Imaging Applications

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.

Rysunki 4a oraz 4b przedstawiają odpowiednio sygnały i odpowiadające im widma z mikroskopijnej sfery w odległości 1 mm od włókna dla trzech przesunięć względem centrum π-FBG. Przesunięcia są podane w kierunku z, jak przedstawiono na Rysunku 3. Wyraźnie widać, że czułość detektora optycznego na ultradźwięki o wysokiej częstotliwości (f &gt; 6 MHz) jest anizotropowa i najwyższa, gdy centrum π-FBG znajduje się bezpośrednio nad mikroskopijną sferą. Pomimo dużego niedopasowan...

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.

Szerokopasmowy detektor optyczny ultradźwięków do zastosowań w obrazowaniu medycznym

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

Ten film zademonstruje zastosowanie optycznego czujnika ultradźwiękowego opartego na gradacji światłowodów z przesunięciem fazowym PPH lub PI FBG jako elementu detekcyjnego i systemu odczytu interferometrii impulsowej. Osiąga się to poprzez osadzenie ciemnej mikroskopijnej kuli w przezroczystym agarze i wykorzystanie jej do wygenerowania punktu o szerokim paśmie, takiego jak źródło akustyczne, poprzez oświetlenie go impulsami świetlnymi o dużej mocy. W drugim kroku FBG jest skanowany w trzech wymiarach, co umożliwia scharakteryzowanie jego zależnej przestrzennie i częstotliwościowo odpowiedzi na ultradźwięki.Następnie stosuje się pompę wodną w celu wygenerowania zakłócenia mechanicznego w pobliżu czujnika ultradźwiękowego i oceny wytrzymałości czujnika. Uzyskano wyniki, które pokazują, że czujnik optyczny jest odpowiedni do zastosowań obrazowania w świecie rzeczywistym ze względu na jego czasoprzestrzenną reakcję akustyczną i odporność na zakłócenia mechaniczne. Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami optycznymi detekcji ultradźwiękowej, takimi jak połączenie mikropierścieni z interferometrią fal ciągłych, jest to, że technika ta oferuje wysoką odporność na drgania m

wideband-optical-detector-ultrasound-for-medical-imaging

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Mikroskopia fotoakustyczna o rozdzielczości optycznej (OR-PAM) to rozwijająca się technologia umożliwiająca obrazowanie kontrastów absorpcji optycznej in vivo z rozdzielczością i czułością na poziomie komórkowym. W niniejszym materiale przedstawiamy instrukcję wizualną dotyczącą protokołów eksperymentalnych OR-PAM, obejmującą konfigurację systemu, jego kalibrację, typowe procedury eksperymentalne in vivo oraz schematy obrazowania funkcjonalnego.

Trójwymiarowa mikroskopia fotoakustyczna o rozdzielczości optycznej

Opisujemy nową technikę wektorowego obrazowania dopplerowskiego tkanek opartą na ultradźwiękach do pomiaru prędkości skurczu mięśni, napięcia i szybkości odkształcania z submilisekundową rozdzielczością czasową podczas dynamicznych aktywności. Podejście to zapewnia uzupełniające pomiary dynamicznej funkcji mięśni i może prowadzić do lepszego zrozumienia mechanizmów leżących u podstaw zaburzeń układu mięśniowo-szkieletowego.

Nowe zastosowanie obrazowania ultrasonograficznego układu mięśniowo-szkieletowego

Poniżej przedstawiamy szczegółowy opis eksperymentalnego protokołu obrazowania z nowo opracowanym ręcznym systemem optoakustycznym (fotoakustycznym) do trójwymiarowego obrazowania funkcjonalnego i molekularnego w czasie rzeczywistym. Wykazana wysoka wydajność i wszechstronność mogą zdefiniować nowe obszary zastosowań technologii optoakustycznej w badaniach przedklinicznych i praktyce klinicznej.

Uniwersalna ręczna trójwymiarowa sonda do obrazowania optoakustycznego do angiografii tkanek głębokich i funkcjonalnych badań przedklinicznych w czasie rzeczywistym

Tutaj demonstrowany jest system do przełączania rozdzielczości akustycznej (AR) i rozdzielczości optycznej (OR) MIKROSKOPII FOTOAKUSTYCZNEJ (AR-OR-PAM), zdolny zarówno do obrazowania w wysokiej rozdzielczości na płytkiej głębokości, jak i obrazowania głębokich tkanek o niskiej rozdzielczości na tej samej próbce in vivo.

Przełączana mikroskopia fotoakustyczna o rozdzielczości akustycznej i optycznej do obrazowania naczyń krwionośnych in vivo małych zwierząt

Kliniczny ręczny system obrazowania fotoakustycznego zostanie zademonstrowany do nieinwazyjnego obrazowania małych zwierząt w czasie rzeczywistym.

Ręczny kliniczny system obrazowania fotoakustycznego do nieinwazyjnego obrazowania małych zwierząt w czasie rzeczywistym

Dokładna i efektywna wizualizacja inwazyjnych urządzeń medycznych jest niezwykle ważna w wielu minimalnie inwazyjnych procedurach pod kontrolą USG. W tym miejscu przedstawiono metodę lokalizacji położenia przestrzennego końcówki igły względem sondy do obrazowania ultrasonograficznego.

Trójwymiarowe ultradźwiękowe śledzenie końcówki igły za pomocą światłowodowego odbiornika ultradźwiękowego

Niskointensywna pulsacyjna stymulacja ultradźwiękowa (LIPUS) to metoda nieinwazyjnej mechanicznej stymulacji komórek endogennych lub inżynieryjnych o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czasowej. W tym artykule opisano, jak wdrożyć LIPUS do mikroskopu epifluorescencyjnego i jak zminimalizować niedopasowanie impedancji akustycznej wzdłuż ścieżki ultradźwięków, aby zapobiec niepożądanym artefaktom mechanicznym.

Multipleksowa zogniskowana stymulacja ultradźwiękowa z mikroskopią fluorescencyjną

Ten protokół pokazuje, jak zastosować ultraszybkie obrazowanie dopplerowskie ultrasonograficzne do ilościowego określenia przepływów krwi. Po akwizycji trwającej 1 s eksperymentator ma dostęp do filmu z pełnym polem widzenia z wartościami prędkości osiowej dla każdego piksela co ≈0,3 ms (w zależności od czasu lotu ultradźwięków).

Obrazowanie przepływu krwi za pomocą ultraszybkiego Dopplera

Zgłaszamy jednocześnie protokół obrazowania ultrasonograficznego i fotoakustycznego dla przezpochwowego obrazowania zmian w jajnikach/przydatkach. Protokół może być cenny dla innych translacyjnych badań obrazowania fotoakustycznego, zwłaszcza tych wykorzystujących komercyjne matryce ultradźwiękowe do wykrywania sygnałów fotoakustycznych i standardowe algorytmy kształtowania wiązki z opóźnieniem i sumą do obrazowania.

Jednoczesny protokół obrazowania ultrasonograficznego i fotoakustycznego do przezpochwowego obrazowania zmian w jajnikach

Grubość i funkcja membrany może być oceniana u zdrowych osób i krytycznie chorych pacjentów za pomocą ultrasonografii przyłóżkowej. Technika ta oferuje dokładną, powtarzalną, wykonalną i dobrze tolerowaną metodę oceny struktury i funkcji membrany.

Pomiar grubości i funkcji membrany za pomocą ultradźwięków przyłóżkowych

Poznaj szerokopasmowy detektor optyczny ultradźwięków z PI FBG i interferometrią impulsową do zastosowań w obrazowaniu medycznym. Ta metoda zapewnia wysoką odporność na drgania mechaniczne i zmiany środowiskowe.

Szerokopasmowy detektor optyczny ultradźwięków do zastosowań w obrazowaniu medycznym

Przeglądaj więcej filmów