Geniş bant Tıbbi Görüntüleme Uygulamaları Ultrason Optik Dedektörü
Summary
Genellikle istikrarlı çevresel koşullar gerektirdiğinden ultrason optik algılama birçok görüntüleme senaryolarda pratik değildir. Biz kısıtlayıcı senaryolar, örneğin damar içi uygulamalarda optoacoustic görüntüleme için uygun minyatür ve duyarlılık düzeyleri ile uçucu ortamlarda ultrason algılama için optik tekniği göstermektedir.
Abstract
Son zamanlarda optoacoustic görüntüleme alanında gösterilmiştir gibi ultrason optik sensörler, piezoelektrik teknikleri için umut verici bir alternatiftir. Tıbbi uygulamalarda, optik algılama teknolojisinin önemli sınırlamalar bir saptanmasını saturate çevre koşulları, basınç ve sıcaklık değişiklikleri, örneğin, olan duyarlılığıdır. Buna ek olarak, klinik ortam genellikle sensörün boyut ve sağlamlığı ile ilgili sıkı sınırlar. Bu çalışmada, darbe interferometrik ve fiber esaslı optik algılama kombinasyonu ultrason tespiti için gösterilmiştir. Tüm fiber teknolojisinin kullanımı, damar içi görüntüleme gibi son derece zorlu için tıbbi uygulamalar ile uyumlu, mekanik olarak esnek bir algılama elemanı neden olur oysa Pulse interferometre, çevre koşullarında hızla varyasyonlar mevcudiyetinde okuma sisteminin güçlü bir performans sağlar. Kısa bir sensör uzunluğu elde etmek için birpi-faz kaydırılmış fiber Bragg ızgarasının 350 um'lik etkili uzunluğu boyunca ışığı tutucu bir rezonatör olarak hareket eden, kullanılır. Yüksek bant genişliği etkinleştirmek için, algılayıcı damar içi görüntüleme gibi görüntüleme çevresel geometrilerde son derece faydalıdır ultrason sideway tespiti için kullanılır. Bir görüntüleme optoacoustic kurulum farklı pozisyonlarda akustik nokta kaynaklar için sensörün cevap belirlemek için kullanılır.
Introduction
Ultrason dedektörler birçok görüntüleme uygulamalarında önemli bir rol oynamaktadır. Geleneksel olarak, ultrason gerilim sinyalleri 1 içine basınç dalgalarını dönüşümü piezoelektrik dönüştürücüler tarafından tespit edilir. Optoacoustic görüntülemede, ultrason, yüksek güç modüle edilmiş ışık 2-6 ile nesne aydınlatarak bir termal genleşme işlemi ile üretilir. Piezoelektrik transdüserler optoacoustic uygulamalarında tercih edilen yöntem olsa da minyatür piezoelektrik transdüktörleri genellikle düşük hassasiyet ile karakterize edilir, çünkü bunların kullanımı genellikle temel olarak minyatür engellemektedir. Piezoelektrik dönüştürücüler optik opak beri Ayrıca, onlar ciddi kullanılabilir görüntüleme yapılandırmaları için olanaklarını sınırlayan, görüntülü nesneye ışık doğuma engel olabilecek. Transdüsere nesneden geri saçılan ışık da ultrason uygun algılama sınırı nedeniyle optik kaynaklı parasit için görüntüleme sisteminin tasarımını zorlaştırmaktadıric transdüktörün 7'de işaret eder.
Ultrasonun Optik dedektörler optoacoustic görüntüleme senaryolarda 8-12 pek çok avantajlar sunmaktadır piezoelektrik dönüştürücüler için olası bir alternatif olarak kabul edilmiştir: Genellikle saydam ve genellikle duyarlılık kaybı olmadan minyatür edilebilir. Optik detektör çalışma prensibi nedeniyle ultrason varlığına bağlı olarak optik bir ortam içinde oluşturulan dakika deformasyon interferometrik tespit edilmesidir. Çoğu zaman, optik rezonatörler optik sinyalin faz üzerinde deformasyon etkisini artırmak, böylece, uzun süreli olarak, etkilenen ortam içinde ışık yakalama ile saptama hassasiyetini artırmak için kullanılır. Bu gibi durumlarda, bir optik algılama düzenleri doğrudan rezonatöründe deformasyonları yapı ile ilgili rezonans dalgaboyu izleme varyasyonlar, dayanmaktadır. En sık olarak, dar çizgi genişliği sürekli dalga (CW) teknikleri, CW lazer inci ayarlı olduğu kullanılıre rezonans dalgaboyu. Rezonans küçük değişimleri bu şekilde kolayca izlenebilir nakledilen / yansıyan lazer ışığı, yoğunluğuyla varyasyonlara neden rezonans içindeki lazer dalga boyunun göreli konumunu değiştirmek dalga boyu. Rezonans kaymalar çok güçlü iseniz Ancak, örneğin rezonans etkili dedektörü 13 doyurarak, lazerin dalga boyu uzak tamamen kayabilir, basınç, sıcaklık, veya titreşimler büyük değişimler nedeniyle.
Darbe enterforemetre 14 sinyal doygunluk sınırlaması için bir çözüm sunar ve uçucu çevre koşullarında ultrason algılanmasını sağlar. Aksine CW düzenleri-LineWidth daraltmak için, darbe interferometri rezonatorü aydınlatmak için geniş bant darbe kaynağı kullanır. Rezonans değiştirir ise bu durumda, rezonatör, rezonans frekansına karşılık gelen dalga boylarında yalnızca verici, bir bant geçiş filtresi gibi hareket eden bir14,15 yeniden kareleme kilitli bir Mach-Zehnder interferometresi kullanılarak, örneğin, rezonatörün üretiminin, optik sinyal dalga boyu değişimlerin ölçülmesi ile tespit edildi. Otomatik reset devresi hemen çevre koşulları nedeniyle aşırı değişime kaybolması durumunda interferometreye çalışma noktasına geri yüklemek için kullanılır. Çünkü kaynağının nispeten geniş bir bant genişliği, rezonans dalgaboyu da zor çevre koşulları altında kararlı detektör çalışma sağlayan, daha güçlü düzensizliklerin altında ışıklı bant içinde kalır. Sorgulama, yani optik bakliyat, için tutarlı bir kaynak kullanımı düşük gürültü saptanmasını kolaylaştırır.
Deneylerde kullanılan karşılık gelen pulse interferometre sistemi, Şekil 1 'de gösterilmiştir. Sorgulama için kullanılan darbeli bir lazer, 100 den fazla 60 mW ve spektral genişliği çıkış gücü ile 100 MHz frekansda 90 FSEC darbe üretilirnm. Optik filtre, yaklaşık 0.4 nm'lik bir spektral FWHM genişliğe ve rezonans frekansına ayarlı edildi. Filtrenin ardından, bir optik amplifikatör filtreleme önemli bir kayıp telafi etmek için kullanıldı. Ek filtreleme amplifikatör güçlendirilmiş spontan emisyonunu azaltmak için amplifikasyon aşamasından sonra uygulandı. Deneylerde kullanılan rezonatör özellikle ultrason algılamanın tıbbi uygulama için Teraxion Inc tarafından imal edilmiş bir pi-faz kaydırılmış fiber Bragg ızgarasının (π-FBG) 8, olduğu, π-FBGs, her türlü fiber parçaları olmanın yararı vardır ve böylece sağlam ve küçük. Şekil 2, bu çalışmada kullanılan fiber optik boyutları ve bir 15 MHz minyatür intravasküler ultrason (IVUS) piezoelektrik transdüser arasındaki bir karşılaştırmayı göstermektedir. Bu tür düzlemsel dalga kılavuzlarında fabrikasyon mikro halka rezonatörlerin gibi bazı alternatif rezonans-tabanlı algılama yaklaşımlar, bileşenin, birleştirme lifleri gerektirirgiriş ve çıkış, daha kırılgan cihazlara açan veya minyatürleşmeye engelleyen ya. Bunun aksine, π-FBGs in-lif bileşenleri olan ve ek elyaf bağlama gerektirmez. Π-FBGs içindeki rezonans kendi merkezinde pi faz kayması oluşturulur; Işık ızgaranın kendisinin uzunluğu daha kısa olan fiberin kısmı boyunca pi faz kayması etrafında tutulur. Deneylerde, π-FBG 4 mm ve κ = 2 mm olan bir bağlama katsayısı bir uzunluğa sahip -1 ve duyarlılık duyarlılık katlanarak κ bir oran ile, ızgara merkezinden azalan, uzunluğu boyunca muntazam olmayan biçimde dağıtılmıştır . Duyarlılık dağılımı (SD) tam genişlik-yarı-maksimum (FWHM) yaklaşık 350 mikron idi. Izgarasının rezonans genişliği, uzunluğu ve aşağıdaki denkleme uygun olarak bir bağlama katsayısı her ikisi tarafından belirlenmektedir:
<img alt="Denklem 1" fo:content-width="1.5in" src= "/ Files/ftp_upload/50847/50847eq1.jpg" width = "150" /> (1)
λ rezonans dalgaboyu ve n eff lifin 8 kılavuzlanır modunun etkin kırılma indisidir.
Π-FBG detektör görüntüleme uygulamaları için uygun olup olmadığını değerlendirmek için, kendi uzamsal bağımlı tepki geniş bir frekans bandı üzerinden ölçülebilen gerekmektedir. Ancak, bu görev, geleneksel akustik teknikler kullanıldığında son derece zordur. Bu nedenle, şeffaf agar gömülü koyu mikroskopik bir küre optoacoustic nokta kaynağı olarak hizmet ettiği ultrason detektörü 16 karakterizasyonu için bir optoacoustic bir yöntem kullanır. Bizim deneyde, mikroskobik küre yaklaşık 100 mikron çapındadır ve 10 Hz tekrarlama oranı, yaklaşık 8 NSEC darbe süresi ve 200 mW ortalama güç tüketimi ile yüksek güç nanosaniye optik darbeleri ile aydınlatılır. Mikroskopik SPH çökelmiş optik enerjieres optoacoustic etkisi nedeniyle bant ultrason sinyalleri üretir. Π-FBG dedektör uzamsal bağımlı akustik tepki elde etmek için mikroskobik alanda nispeten çevrilmiştir. Şekil 3, bu deney optoacoustic bir gösterimini göstermektedir. Genel olarak, bu teknik, ultrason detektörlerin farklı karakterize etmek için kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sonuç olarak, ultrason saptanması için bir yöntem, yeni optik bir π-FBG ve nabız interferometrik bir kombinasyonu ile, hangi sokulur. Teknik özellikle neredeyse rasgele nesne aydınlatma desenleri sağlayan algılama elemanı, şeffaflık sayesinde optoacoustic görüntüleme uygulamaları için uygundur. Bunun aksine, standart piezoelektrik göre ultrason algılayıcılar opak ve bu nedenle büyük görüntüleme kurulumları yol açan, görüntülü nesneye optik yolların bazıları bloke eder. Geliştirilen o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
DR Alman Araştırma Vakfı (DFG) Araştırma Bursu (RA 1848/1) ve Avrupa Araştırma Konseyi Grant başlayarak destek kabul eder. VN Avrupa Araştırma Konseyi İleri Araştırmacı Ödülü mali desteği kabul eder, ve Tıp Ödülü Bmbf İnovasyon.
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).
