Широкополосный оптический детектор ультразвука для медицинской визуализации приложений
Summary
Оптическое детектирование ультразвука непрактично во многих сценариях обработки изображений, потому что это часто требует стабильных условиях окружающей среды. Мы демонстрируем оптический метод для ультразвукового зондирования в нестабильных условиях с миниатюризации и чувствительности уровням, соответствующим ОА томографии в ограничительных сценариев, например внутрисосудистых приложений.
Abstract
Оптические датчики ультразвука перспективной альтернативой пьезоэлектрических методов, как было недавно продемонстрировано в области оптико-акустического изображения. В медицинских применений, одним из главных ограничений оптического зондирования является его восприимчивость к условиям окружающей среды, например, изменения давления и температуры, что может насытить обнаружения. Кроме того, клиническая среда часто накладывает жесткие ограничения на размер и надежность датчика. В этой работе, сочетание импульсов интерферометрии и волоконно-оптического зондирования на основе продемонстрирована для обнаружения ультразвука. Импульсный интерферометрии позволяет надежную работу системы отсчета в присутствии быстрых изменений условий окружающей среды, в то время как использование технологии все волокна приводит к механически гибкого чувствительного элемента, совместимый с высокими требованиями медицинских применений, таких как внутрисосудистого изображений. Для достижения короткую длину датчика,пи-сдвинутый по фазе волокно брэгговская решетка используется, который действует в качестве резонатора захвата свет на эффективной длине 350 мкм. Чтобы включить высокую пропускную способность, датчик используется для бокового обнаружения ультразвука, который является весьма полезным в окружных геометрии визуализации, таких как внутрисосудистого изображения. ОА установки томография используется для определения реакции датчика для акустических точечных источников в различных положениях.
Introduction
Ультразвуковые датчики играют ключевую роль во многих приложениях обработки изображений. Традиционно, УЗИ обнаруживается пьезоэлектрических преобразователей, которые превращают волны давления в сигналы напряжения 1. В ОА томографии, УЗИ генерируется с помощью процесса термического расширения путем освещения объекта с высокой мощности модулированного света 2-6. Хотя пьезоэлектрические преобразователи являются методом выбора в ОА приложений, их использование часто мешает миниатюризации главным образом потому, миниатюрные пьезоэлектрические преобразователи часто характеризуются низкой чувствительностью. Кроме того, поскольку пьезоэлектрические преобразователи оптически непрозрачными, они могут серьезно помешать света доставкой отображаемого объекта, ограничивая возможности пригодных конфигураций обработки изображений. Свет, который, рассеянный объекта к датчику может также ограничить правильное обнаружение ультразвука и усложняют конструкцию системы формирования изображения в связи с оптически индуцированной ParasitИК сигналов в преобразователе 7.
Оптические датчики ультразвука были признаны в качестве возможной альтернативы пьезоэлектрических преобразователей, который предлагает много преимуществ в ОА сценариев визуализации 8-12: Они часто прозрачны и могут быть, как правило, миниатюрные без потери чувствительности. Принцип работы оптических детекторов интерферометрический обнаружение минут деформации, созданной в оптической среды в связи с наличием ультразвука. Часто, оптические резонаторы используются для улучшения чувствительности обнаружения путем улавливания света в возмущенной среде в течение длительного длительности, тем самым увеличивая эффект деформации на фазы оптического сигнала. В тех случаях, схемы оптического детектирования основаны на мониторинг изменений в резонансной длины волны, которые непосредственно относятся к структуре деформаций в резонаторе. Чаще всего, методы узкой ширины линии непрерывной волны (CW) используются, в которой лазер НД настроен на гое-резонанс волны. Небольшие сдвиги в резонансной длины волны изменить относительное положение длины волны лазера в резонанс, тем самым вызывая изменения в интенсивности прошедшего / отраженного лазерного света, который может быть легко контролировать. Однако, если резонансные сдвиги слишком сильны, например, из-за больших изменений в давление, температура, или вибрации, резонанс может сдвигаться полностью от длины волны лазера, эффективно насыщая детектор 13.
Пульс интерферометрии 14 предлагает решение об ограничении насыщения сигнала и позволяет обнаруживать ультразвуковое под летучих условий окружающей среды. В отличие от узкой ширины линии CW схемы, пульс интерферометрии использует источник широкополосный импульсный для освещения резонатор. В этом случае, резонатор действует как полосовой фильтр, передают только те длины волн, которые соответствуют его резонансной частоте, в то время как резонанс смещаетсявновь определяется путем измерения вариации длин волн в оптическом сигнале на выходе резонатора, например с помощью интерферометра Маха-Цандера запертую в квадратуре 14,15. Схема автоматического сброса используется немедленно восстановить рабочую точку интерферометра в случае, если он потерял из-за чрезвычайной изменчивости условий окружающей среды. Из-за относительно широкой полосе источника, резонансная длина волны остается в освещенной зоны даже при сильных возмущений, что позволяет стабильную работу детектора даже в суровых условиях окружающей среды. Использование когерентного источника на допрос, то есть оптических импульсов, облегчает обнаружение с низким уровнем шума.
Соответствующая система интерферометрии импульсов используется в наших экспериментах показано на рисунке 1. Лазерный импульс для допроса произвел 90 фс импульсов с частотой повторения 100 МГц с выходной мощностью 60 мВт и спектральной ширины свыше 100нм. Оптический фильтр имел спектральную ширину FWHM около 0,4 нм и был настроен на частоту резонанса. После фильтра, оптический усилитель был использован для компенсации значительных потерь в фильтрации. Дополнительная фильтрация была применена после стадии амплификации уменьшить усиленного спонтанного излучения от усилителя. Резонатор используется в наших экспериментах пи-сдвинутый по фазе волокна Брэгг решетки (π-ВБР) 8, производства Teraxion Инк В частности, для медицинского применения ультразвука зондирования, π-ВБР имеют преимущество, заключающееся в компоненты все волокна, и, таким образом надежные и мало. Рисунок 2 показывает сравнение между размерами оптического волокна, используемого в этой работе и 15 МГц миниатюрных внутрисосудистого ультразвукового (ВСУЗИ) пьезоэлектрический преобразователь. Некоторые альтернативные резонансные подходы обнаружения, такие как микро-кольцевых резонаторов, изготовленных в планарных волноводов, требуют сочетания волокон в компонентавход и выход, либо приводит к более хрупких устройств или препятствуя миниатюризации. В противоположность этому, π-ВБР в волокна компонентов, и не требуют дополнительной муфты волокна. Резонанс в π-ВБР создается пи фазового сдвига в их центре; света в ловушке вокруг пи фазового сдвига по части волокна, что значительно короче, чем длина самой решетки. В наших экспериментах, π-ВБР имел длину 4 мм и коэффициент связи κ = 2 мм -1 и его чувствительность была распределена неравномерно по всей его длине, с чувствительность экспоненциально убывает от центра решетки с скоростью κ . Полной ширины половиной максимальной (FWHM) распределения чувствительности (SD) был около 350 мкм. Резонанс ширина решетки определяется как его длине и ее коэффициента связи в соответствии со следующим уравнением:
<img alt="Уравнение 1" fo:content-width="1.5in" src= "/ Files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" ширина = "150" /> (1)
где λ является резонансной длины волны и п эфф является эффективный показатель преломления режиме управляемой в волокне 8.
Чтобы оценить, насколько детектор π-ВБР подходит для приложений обработки изображений, его пространственно зависимый ответ необходимо измерять в широком диапазоне частот. Тем не менее, эта задача представляется чрезвычайно сложной задачей, когда обычные акустические методы используются. Поэтому мы используем оптико-акустического метода для детектора ультразвуковой характеристики 16, в которой темная микроскопическая сфера встроен в прозрачный агар служит оптико-акустического точечного источника. В нашем эксперименте микроскопическая сфера имеет диаметр около 100 мкм и освещается высокой мощности наносекундных оптических импульсов с частотой повторения 10 Гц, длительностью импульса около 8 нс и средней мощности 200 мВт. Оптическая энергия откладывается в микроскопическом SPHERES генерирует широкополосные ультразвуковые сигналы вследствие ОА эффекта. Детектор π-FBG переводится относительно микроскопической области, чтобы получить его пространственно зависимой акустический отклик. Рисунок 3 показывает иллюстрацию ОА эксперимента. Как правило, эта методика может быть использована для характеристики различных видов ультразвуковых датчиков.
Protocol
Representative Results
Discussion
В заключение, новое оптический метод обнаружения ультразвука вводится, который основан на комбинации π-FBG и импульса интерферометрии. Методика особенно подходит для ОА приложений визуализации благодаря прозрачности чувствительного элемента, что позволяет почти произвольные узоры о?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
DR признает поддержку от Немецкого исследовательского фонда (DFG) исследования Grant (РА 1848/1) и Европейского исследовательского совета Начиная Грант. В.Н. признает финансовую поддержку от Европейского исследовательского совета Advanced следователь премии, и инновации в BMBF в медицине премии.
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 |
References
- Hunt, J. W. Ultrasound transducers for pulse-echo medical imaging. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 30, 453-481 (1983).
- Razansky, D. Multispectral opto-acoustic tomography of deep-seated fluorescent proteins in vivo. Nature Photon. 3, 412-417 (2009).
- Ntziachristos, V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nature Methods. 7, 603-614 (2010).
- Wang, L. H., Hu, S. Photoacoustic tomography: In vivo imaging from organelles to organs. Science. 23, 1458-1462 (2012).
- Sethuraman, S. Photoacoustic imaging using an IVUS imaging catheter. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 54, 978-986 (2007).
- Rosenthal, A. Optoacoustic methods for frequency calibration of ultrasonic sensors. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 58, 316-326 (2011).
- Rosenthal, A. High-sensitivity compact ultrasonic detector based on a pi-phase-shifted fiber Bragg grating. Optics Letters. 36, 1833-1835 (2011).
- Beard, P. C., Mills, T. N. Extrinsic optical fibre ultrasound sensor using a thin polymer film as a low finesse Fabry-Perot interferometer. Applied Optics. 35, 663-675 (1996).
- Xiong Pernice, W. H. P., Tang, C., X, H. High Q micro-ring resonators fabricated from polycrystalline aluminum nitride films for near infrared and visible photonics. Optics Express. 20, 12261-12269 (2012).
- Zhang, E. Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner using a planar Fabry-Perot polymer film ultrasound sensor for high-resolution three-dimensional imaging of biological tissues. Applied Optics. 47, 561-577 (2008).
- Grün, H. Three-dimensional photoacoustic imaging using fiber-based line detectors. Journal of Biomedical Optics. 15, 021306-02 (2010).
- Avino, S. Musical instrument pickup based on a laser locked to an optical fiber resonator. Optics. Express. 19, 25057-25065 (2011).
- Rosenthal, A. Wideband optical sensing using pulse interferometry. Optics Express. 20, 19016-19029 (2012).
- Rosenthal, A. Wideband fiber-interferometer stabilization with variable phase. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1499-1501 (2012).
- Rosenthal, A. Spatial characterization of the response of a silica optical fiber to wideband ultrasound. Optics Letters. 37, 15-3174 (2012).
- Rosenthal, A., Razansky, D., Ntziachristos, V. Model-based optoacoustic inversion with arbitrary-shape detectors. Medical Physics. 38, 4285-4295 (2011).
