Wideband optisk detektor av ultralyd for Medical Imaging Applications

Summary

Optisk deteksjon av ultralyd er upraktisk i mange situasjoner tenkelig, fordi det krever ofte stabile forhold i omgivelsene. Vi viser en optisk teknikk for ultralyd sensing i volatile omgivelser med miniatyrisering og følsomhetsnivåer passer for optoacoustic bildebehandling i restriktive scenarier, f.eks intravaskulære applikasjoner.

Abstract

Optiske sensorer av ultralyd er et lovende alternativ til piezoelektriske teknikker, som er nylig blitt demonstrert innen optoacoustic avbildning. I medisinske anvendelser, er en av de største begrensninger i optisk sensorteknologien er dens følsomhet overfor miljøforhold, f.eks endringer i trykk og temperatur, som kan mette påvisning. I tillegg har det kliniske miljø medfører ofte strenge grenser for størrelsen og robusthet av sensoren. I dette arbeidet, er kombinasjonen av puls interferometri og fiber-basert optisk sensing demonstrert for ultralyd deteksjon. Puls interferometri muliggjør robust utførelse av avlesningssystemet i nærvær av raske variasjoner i de miljømessige forhold, mens bruken av all-fiber teknologi fører til en mekanisk fleksible føleelement er kompatibel med svært krevende medisinske anvendelser slik som intravaskulær avbildning. For å oppnå en kort lengde sensor, etpi-fase-forskjøvet Bragg-fibergitter er brukt, som virker som en resonator fang lys over en effektiv lengde på 350 mikrometer. For å muliggjøre høy båndbredde, blir sensoren som brukes for sideveis påvisning av ultralyd, som er meget gunstig i omkretsavbildnings geometrier slik som intravaskulær avbildning. En optoacoustic avbildning oppsett brukes til å bestemme responsen til sensoren for akustisk punktkilder ved forskjellige posisjoner.

Introduction

Ultralyd detektorer spille en nøkkelrolle i mange bildebehandlingsprogrammer. Konvensjonelt, er ultralyd oppdaget av piezoelektriske transdusere, som omdanner trykkbølger inn i spenningssignaler ^en. I optoacoustic bildebehandling, er ultralyd generert via en prosess av termisk ekspansjon ved å lyse opp objektet med høy effekt modulert lys ^2-6. Selv om piezoelektriske transdusere er den foretrukne metode i optoacoustic anvendelser, anvendelse av dem hindrer ofte miniatyrisering fordi miniatyriserte piezoelektriske transdusere er ofte kjennetegnet ved lav følsomhet. I tillegg, siden piezoelektriske transdusere er optisk opake, at de kan alvorlig forstyrre lette levering til avbildet objekt, noe som begrenser mulighetene for brukbare avbildnings konfigurasjoner. Lys som blir tilbake-spredt fra objektet til transduseren kan også begrense riktig deteksjon av ultralyd og komplisere utformingen av bildedanningssystemet som følge av optisk indusert parasitic signaliserer i svinger ^syv.

Optiske detektorer av ultralyd har blitt anerkjent som et mulig alternativ til piezoelektriske transdusere som gir mange fordeler i optoacoustic bildebehandlings scenarier ^8-12: De er ofte gjennomsiktig og kan vanligvis miniatyrisert uten tap av følsomhet. Den virkemåte av optiske detektorer er interferometrisk detektering av liten deformasjon opprettet i det optiske medium på grunn av tilstedeværelse av ultralyd. Ofte er optisk resonator brukes til å forbedre deteksjonsfølsomheten ved å fange lys i perturbert medium i lengre varighet, og dermed øke effekt av deformasjonen av fasen til det optiske signalet. I slike tilfeller er optiske deteksjonsordninger basert på overvåking av variasjoner i resonansbølgelengden, som direkte er relatert til struktur deformasjoner i resonatoren. Oftest er smal-linewidth kontinuerlig bølge (CW) teknikker som brukes der en CW laser er innstilt til the resonans bølgelengde. Små endringer i resonansbølgelengde endre den relative posisjonen til laserens bølgelengde innenfor resonans, og dermed forårsaker variasjoner i intensiteten av den overførte / reflektert laserlys, som lett kan overvåkes. Imidlertid, hvis resonans skift er for sterk, f. eks på grunn av store variasjoner i trykk, temperatur eller vibrasjoner for resonans kan forskyve helt bort fra laserens bølgelengde, effektivt mette detektoren ^13..

Pulse interferometri ¹⁴ tilbyr en løsning på begrensning av signal metning og muliggjør ultralyd registrering under flyktige miljøforhold. I motsetning til å begrense-linewidth CW ordninger, syssels puls interferometri en wideband puls kilde for å belyse resonatoren. I dette tilfellet fungerer den resonator som et båndpassfilter, overføring av bare de bølgelengder som svarer til sin resonansfrekvens mens resonans forskyver enre detekteres ved å måle variasjoner i bølgelengde det optiske signal på resonatoren sin utgang, for eksempel ved hjelp av et Mach-Zehnder interferometer låst til kvadratur ^14,15. En automatisk tilbakestillingskrets benyttes til omgående å gjenopprette interferometeret arbeidspunkt i det tilfelle det er tapt på grunn av ekstreme variasjoner i miljøforhold. På grunn av den forholdsvis bred båndbredde av kilden, forblir resonansbølgelengden innenfor det belyste bånd selv under sterke forstyrrelser, slik at stabil detektor drift selv under barske omgivelsesforhold. Bruken av en koherent kilde for avlesningen, dvs. optiske pulser, muliggjør deteksjon med lav støy.

Den tilsvarende puls-interferometri som brukes i våre eksperimenter er vist i figur 1.. Puls laser benyttes for utspørring produserte 90 fsec pulser med en repetisjonsfrekvens på 100 MHz med utgangseffekt på 60 mW, og spektrale bredde på mer enn 100nm. Det optiske filter hadde en FWHM spektrale bredde på omtrent 0,4 nm, og ble innstilt til frekvensen til resonans. Etter filteret, ble en optisk forsterker som brukes for å kompensere for de betydelige tap i filtrering. Ytterligere filtrering ble påført etter forsterkning trinn for å redusere forsterket spontan emisjon fra forsterkeren. Resonatoren ble benyttet i forsøkene er en pi-fase-forskjøvet Bragg-fibergitter (FBG π-) ^8, fremstilt av Teraxion Inc. Spesielt for den medisinske anvendelse av ultralyd sensing, π-FBG har fordelen av å være alt-fiberkomponenter, og dermed robust og lite. Figur 2 viser en sammenligning mellom dimensjonene av den optiske fiberen som brukes i dette arbeidet og en 15 MHz miniatyrisert intravaskulær ultralyd (IVUS) piezoelektrisk transduser. Noen alternative resonans-basert gjenkjenning tilnærminger, for eksempel mikro-ring resonatorer fabrikkert i plane bølgeledere, krever koblings fibrene på komponentensinngang og utgang, enten som fører til mer skjøre enheter eller hindrer miniatyrisering. I kontrast, π-FBGene er i fiberkomponenter, og ikke krever ekstra fiber kobling. Resonans i π-FBGene er skapt av pi faseskift i sitt sentrum; lys er fanget rundt pi faseskift i løpet Delen av fiberen som er betydelig kortere enn lengden av gitterverket. I våre forsøk, hadde π-FBG en lengde på 4 mm, og koplingskoeffisienten til κ = 2 mm ^-1 og dets følsomhet er fordelt ikke-uniformt langs sin lengde, med følsomheten eksponentielt avtagende fra risten sentrum med en hastighet på κ . Den full bredde-halv-maksimum (FWHM) på følsomheten fordeling (SD) var omtrent 350 mikrometer. Resonans bredden av risten bestemmes av både lengden og koplingskoeffisienten i henhold til følgende ligning:

<img alt="Ligning 1" fo:content-width="1.5in" src= "/ Files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" width = "150" /> (1)
hvor λ er resonansbølgelengden og n _eff er den effektive brytningsindeksen til modusen ledet i fiberen ^8..

For å vurdere om π-FBG detektor er hensiktsmessig for bildebehandlingsprogrammer, trenger sin romlig avhengig respons, måles over et bredt frekvensbånd. Imidlertid er denne oppgave meget utfordrende når konvensjonelle akustiske teknikker brukes. Vi benytter derfor en optoacoustic fremgangsmåte for ultralyddetektor karakterisering ¹⁶ i hvilken en mørk mikroskopisk sfære innleiret i gjennomsiktig agar tjener som et optoacoustic punktkilde. I våre forsøk, har de mikroskopiske kulen en diameter på omtrent 100 mikrometer, og er opplyst med høy effekt nanosekund optiske pulser med en repetisjonsfrekvens på 10 Hz, pulsvarighet på ca 8 nanosekunder, og gjennomsnittlig effekt på 200 mW. Den optiske energien avsatt i det mikroskopiske SPHeres genererer bredbåndsultralydsignaler på grunn av den optoacoustic effekt. Den π-FBG detektoren er oversatt relativt til den mikroskopiske sfære for å oppnå den romlig avhengige akustiske respons. Figur 3 viser en illustrasjon av optoacoustic eksperimentet. Vanligvis kan denne teknikken bli anvendt for å karakterisere forskjellige typer av ultralyddetektorer.

Protocol

En. Optoacoustic Karakterisering av π-FBG Detector Utarbeidelse av en mikroskopisk sfære suspendert i agar: Bland agar pulver (1,3 vekt%) med destillert vann i et begerglass. Bruk av en varm plate magnetisk røreenhet for å varme opp oppløsningen i nærheten av koketemperaturen, og oppløse agar pulveret inntil oppløsningen blir klar og fri for luftbobler. Alternativt kan den agaroppløsningen varmes ved hjelp av en konvensjonell mikrobølgeovn med omrøring utføres manuelt ved hjelp av en glas…

Representative Results

Figurene 4a og 4b viser henholdsvis de signaler og deres tilsvarende spektra fra den mikroskopiske sfære i en avstand på 1 mm fra fiberen i tre forskyvninger fra sentrum av den π-FBG. Forskyvningene er gitt i z-retningen, som vist i figur 3.. Åpenbart er den optiske detektorens følsomhet for høyfrekvent ultralyd (f> 6 MHz) anisotrop og er høyest ved sentrum av den π-FBG er direkte over den mikroskopiske sfære . Til tross for det høye akustiske impedans mism…

Discussion

Som konklusjon vil en ny optisk fremgangsmåte for ultralyddeteksjon innført, som er basert på en kombinasjon av et π-FBG og puls interferometri. Teknikken er spesielt egnet for optoacoustic bildebehandlingsprogrammer på grunn av gjennomsiktigheten til sensing element, som gjør nesten vilkårlig objekt belysningsmønstre. I kontrast til standard piezoelektriske ultralydbaserte detektorer er ugjennomsiktig og dermed blokkere noen av de optiske banene til det fotografert gjenstand, noe som fører til store avbildning…

Materials

π-FBG	Teraxion Inc.		Custom made device
microscopic sphere	Cospheric LLC	BKPMS 90-106um- 10g	100 µm polyethylene microsphere
Femto-second pulse laser used for interrogation	Menlo Systems GmbH	T-Light Femtosecond Laser
Optical filter	Optoplex Corporation	2-Port Optical Tunable Filter (50 GHz)
Optical amplifier	Amonics	AEDFA-PM-PA-35-B-FC	Benchtop 35dB Gain Pre Amp Polarization Maintaining EDFA
50/50 coupler	OZ-Optics	FUSED-22-1550-8/125-50/50-3S3S3S3S-3-0.5-PM	Fused 2×2 fiber splitter with 0.5 meter long, 3mm OD PVC jacketed 1550nm 8/125μ PM fiber pigtails, 50/50 split ratio in the slow axes of PM fibers and with super FC/PC connectors on all ports.
Fiber holder	Thorlabs	T711/M-250	Metric, Post-Mountable Fiber Clamp, 250 µm
Agar for microbiology	Sigma Aldrich	05039-500G
Nano-second pulse laser used for generating the optoacoustic signals	Opotek	VIBRANT Arrow 532 type I
Graphite rod	Faber-Castell	120700	Faber-Castell Pencil Leads – 0.7 mm