Summary
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.
Introduction
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:
![Equazione 1]("Files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg)
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.
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Protocol
1. Optoacoustic Caratterizzazione del rivelatore π-FBG
- Preparazione di una sfera microscopica sospesa in agar:
- 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.
- 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.
- Visualizza il fantasma sotto un microscopio stereoscopico tagliare un pezzetto di agar che contiene una singola sfera microscopica.
- Ripetere passo 1.1.1 e aggiungere to la soluzione di agar agar pezzo solido contenente sfera microscopica singolo.
- Dopo solidificazione, intercettato fantasma agar al microscopio tale che la sfera microscopica si trova vicino alla superficie del fantoccio.
- Misurazione Optoacoustic
- 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.
- 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.
- Posizionare la sfera microscopica agar-embedded direttamente sotto il π-FBG. La sfera microscopica dovrebbe essere visibile ad occhio nudo.
- 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.
- Eseguire ultimi aggiustamenti per l'illuminazione per fornire la massima potenza alla sfera microscopica.
- Utilizzando la fase di traduzione eseguire una scansione 3D del π-FBG e registrare il segnale per ogni posizione.
- 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
- Utilizzare due supporti in fibra v-scanalatura per tenere la fibra saldamente su entrambi i lati del π-FBG e immergere il π-FBG.
- 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.
- Mettere una pompa d'acqua all'interno del serbatoio dell'acqua e accenderlo per creare rapide variazioni delle condizioni ambientali.
- 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.
- Spegnere la pompa dell'acqua off.
- 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.
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Representative Results
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 disadattamento di impedenza acustica tra la fibra di silice e acqua, risonanze distinte sono osservate a frequenze superiori a 6 MHz, portando ad un segnale optoacoustic tagliente ben definita, necessaria per applicazioni di imaging. Generalmente, anche se le frequenze di risonanza della struttura f <6 MHz possono essere usate per il rilevamento, il loro uso per l'imaging richiederebbe loro incorporazione in un modello di ricostruzione basato su modelli, complicando notevolmente l'immagine falgoritmo ormazione 17.
La Figura 5 mostra un confronto tra i segnali ultrasonori misurata con una fonte di impulsi e una sorgente a bassa coerenza. A causa della bassa sensibilità ottenuta dalla sorgente a bassa coerenza, una fonte optoacoustic con una grandezza superiore è stato utilizzato rispetto a quello utilizzato per l'esperimento di figure 3-4. Vale a dire, la sorgente optoacoustic era una spina di grafite con un diametro di 0,7 mm posizionato ad una distanza approssimativa di 1,5 mm dalla fibra e illuminato con lo stesso laser utilizzato nell'esperimento di figure 3-4. Una significativa riduzione della sensibilità di un fattore di 18 è osservata per i segnali rilevati con la sorgente a bassa coerenza. La minore sensibilità che si ottiene nel caso della sorgente a larga banda incoerente è inerente come lo spettro a larga banda della sorgente è generato da un processo casuale. Al contrario, nella sorgente di impulsi coerente, il resp banda largaonse è il risultato di un processo deterministico.
Figura 1. La configurazione ottica utilizzata per il rilevamento a ultrasuoni. L'elemento sensibile è una fibra pi-sfasati reticolo di Bragg, e il sistema di read-out si basa su impulso di interferometria. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Figura 2. Un confronto di dimensioni tra una sonda ad ultrasuoni intravascolare commerciale con una frequenza centrale di 15 MHz e il Opticaelemento sensibile l-a base di fibra utilizzata in questo lavoro. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Figura 3. Un'illustrazione del setup optoacoustic usato per misurare la risposta acustica del rilevatore ottico. Una sfera microscopica scuro illuminato con impulsi ad alta potenza nanosecondi costituisce una sorgente puntiforme acustico, che si traduce in tre dimensioni per ottenere una risposta acustica spazialmente dipendente del rivelatore. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Figura 4. I segnali (A) e loro spettri corrispondente (b) rilevata dalla sfera microscopica (come illustrato nella figura 3) ad una distanza di 1 mm dalla fibra per tre offset dal centro del π-FBG. Gli spettri vengono confrontati con lo spettro di una sorgente ideale sferica con un diametro di 100 micron. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Figura 5. Un confronto tra i segnali ultrasonori ottenuto utilizzando una sorgente di impulsi e alow-coerenza fonte. Una significativa riduzione della sensibilità si osserva per i segnali rilevati con la fonte di bassa coerenza. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
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Discussion
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 imaging ingombranti. Il rilevatore ottico sviluppato può quindi facilitare la miniaturizzazione della tecnologia optoacoustic e la sua traduzione clinica.
Le proprietà fisiche e meccaniche del elemento sensibile dipendono dalla fibra utilizzata. Fibre monomodali disponibili in commercio sono relativamente resistenti e piccole. Ad esempio, in fibre di silice, come quello utilizzato in questo documento, diametri di 250 um o più piccolo e rottura raggi di curvatura inferiore a 1 cm sono standard. Fibre plastiche possono anche essere utilizzati e possono avere migliori proprietà meccaniche; Tuttavia, la fabbricazione di FBGs alta qualità è attualmente disponibile in commercio solo in fibre di silice.
Il disegno del FBG pi-sfasato determina la sensibilità e la risposta acustica spazialmente dipendente del rilevatore ottico. Generalmente, si desidera che la risonanza sia più stretta possibile per ottenere la massima sensibilità. Tuttavia, la larghezza della risonanza misurata in Hertz, deve essere superiore alla larghezza di banda acustica desiderata per il rivelatore di consentire il corretto funzionamento. Inoltre, una elevata qualità π-FBG è attualmente un prodotto su misura la cui fabbricazione richiede capacità di produzione di alta precisione offerti solo da poche aziende.
Pulse interferometria viene utilizzato per la lettura del segnale dall'elemento di scansione ottica e consente prestazioni affidabili in condizioni ambientali volatili. La larghezza di banda della sorgente determinares il compromesso tra robustezza e prestazioni: se la larghezza di banda viene scelto per essere troppo piccola, coprirà la risonanza solo per perturbazioni deboli. Se la larghezza di banda è troppo grande, solo una frazione dell'energia all'ingresso del FBG verrà trasmesso. La larghezza di banda è controllato da filtri passa-banda ottici, che forniscono anche un ulteriore vantaggio di ridurre il rumore nel sistema a causa di emissione spontanea amplificata.
Il campo sensibilità del rivelatore ultrasuoni gioca un ruolo importante nelle applicazioni di imaging optoacoustic. Si raccomanda pertanto che la risposta del rivelatore essere caratterizzato prima della sua incorporazione in una configurazione optoacoustic. Nei nostri esperimenti, il π-FBG fornisce una buona sensibilità alle alte frequenze (f> 6 MHz) solo quando la sorgente puntiforme è posizionato vicino al centro della griglia (Figura 4). Questo suggerisce che il rivelatore ha un campo di sensibilità relativamente non divergenti. Pertanto, when usato in esperimenti di imaging optoacoustic, è di grande beneficio per l'illuminazione da consegnare alle regioni in cui si ottiene sensibilità di rilevamento ultrasuoni ad alta.
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Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Acknowledgments
DR riconosce il sostegno della Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) Research Grant (RA 1848/1) e il Consiglio europeo della ricerca Starting Grant. VN riconosce il sostegno finanziario della Investigator Award avanzato Consiglio europeo della ricerca e dell'innovazione della BMBF in Medicina Award.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| π-FBG | Teraxion Inc. | Custom made device | |
| Microscopic spheres | Cospheric LLC | BKPMS 90-106um- 10g | 100 µm polyethylene microspheres |
| 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 x 2 fiber splitter with 0.5 meter long, 3 mm OD PVC jacketed 1,550 nm 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 |
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