광대역 의료 이미징 애플리케이션을위한 초음파의 광 검출기

Bioengineering

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Summary

종종 안정적인 환경 조건을 필요로하기 때문에 초음파의 광학 검출 많은 영상 시나리오에서 비실용적이다. 우리는 제한적인 시나리오, 예를 들면 혈관 내 응용 프로그램에서 optoacoustic 영상에 적합한 소형화 및 민감도 수준의 휘발성 환경에서 초음파 감지하는 광학 기술을 보여줍니다.

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Rosenthal, A., Kellnberger, S., Omar, M., Razansky, D., Ntziachristos, V. Wideband Optical Detector of Ultrasound for Medical Imaging Applications. J. Vis. Exp. (87), e50847, doi:10.3791/50847 (2014).

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Abstract

최근 optoacoustic 이미징 분야에서 입증 된 바와 같이 초음파의 광 센서는 압전 기술에 대한 유망한 대안이다. 의료 분야에서는, 광 센싱 기술의 주요 제한 사항 중 하나는 검출 포화있다 환경 조건, 압력 및 온도 등의 변화로 그 감수성이다. 또한, 임상 적 환경은 종종 센서의 크기와 견고성에 대한 엄격한 제한을 부과한다. 본 연구에서는 펄스 간섭 및 섬​​유 기반의 광 센서의 조합은 초음파 감지 보여줍니다. 모든 섬유 기술의 사용과 같은 혈관 이미징 매우 까다로운 의료 애플리케이션과 호환 기계적가요 감지 소자로 연결하는 반면 펄스 간섭계는, 환경 조건의 급속한 변화의 존재 판독 시스템의 강력한 성능을 가능하게한다. 짧은 센서 길이를 달성하기 위해서PI-위상 시프트 광섬유 브래그 격자는 350 μM의 유효 길이에 걸쳐 빛을 트래핑 공진기 역할을하는 데 사용됩니다. 높은 대역폭을 사용하려면, 센서 등의 혈관 이미징 원주 영상의 형상에 매우 유용합니다 초음파의 측방 감지에 사용됩니다. optoacoustic 촬상 설정은 상이한 위치에서 탄성 포인트 소스에 대한 센서의 응답을 결정하는 데 사용된다.

Introduction

초음파 감지기는 다양한 이미징 애플리케이션에 중요한 역할을한다. 통상적으로, 초음파는 전압 신호 (1)에 압력 파동을 변형 압전 트랜스 듀서에 의해 검출된다. optoacoustic 이미징, 초음파는 고출력 변조 된 광 2-6 개체를 조명하여 열 팽창의 과정을 통해 생성된다. 압전 트랜스 듀서 optoacoustic 응용 프로그램의 선택의 방법이지만 소형 압전 트랜스 듀서는 종종 낮은 감도를 특징으로하고 있기 때문에, 이들의 사용은 종종 주로 소형화를 방해한다. 압전 트랜스 듀서는 광학적으로 불투명하기 때문에 또한, 그들은 심각하게 사용할 수있는 영상 구성에 대한 가능성을 제한, 이미지가 개체에 빛 전달을 방해 할 수 있습니다. 트랜스 듀서에 대한 개체에서 후방 산란되는 광은 또한 초음파의 적절한 검출을 제한하고 광학적으로 인해 유도 parasit으로 이미징 시스템의 설계를 복잡하게 할 수IC는 트랜스 듀서 (7)에 신호를 보낸다.

초음파의 광 검출기는 optoacoustic 영상 시나리오 8-12에서 많은 혜택을 제공합니다 압전 트랜스 듀서에 대한 가능한 대안으로 인식되고있다 : 그들은 종종 투명하며 일반적으로 감도의 손실없이 소형화 할 수있다. 광 검출기의 작동 원리로 인해 초음파의 존재로 광학 매질에서 생성 분 변형 간섭계의 검출이다. 종종, 광 공진기는 광 신호의 위상에 대한 변형의 효과를 증가 따라서, 연장 기간에 대한 섭동 매체에 광을 포착함으로써 검출 감도를 향상시키기 위해 사용된다. 이러한 경우, 광 검출 방식은 직접 공진기에 변형을 구조화 관해서 공진 파장 모니터링 변형에 기초한다. 가장 일반적으로, 좁은 선폭의 연속파 (CW) 기술은 CW 레이저를 일까지 조정 된 사용E 공진 파장. 공진에서 작은 변화는 따라서 용이하게 모니터링 할 수있는 투과 / 반사 된 레이저 빛의 강도 변화를 일으키는 공진 내의 레이저의 파장의 상대 위치를 변경 파장. 공진 시프트가 너무 강한 경우에는, 예를 들면 공진 효과적으로 검출기 (13)를 포화시키는, 레이저의 파장에서 떨어져 완전히 이동할 수 있고, 압력, 온도 나 진동에 큰 변화 때문에.

펄스 간섭 (14)는 신호 포화의 한계에 대한 해결책을 제공하며, 휘발성 환경 조건에서 초음파 감지 할 수 있습니다. 반면 CW 방식을 선폭에게 좁은 펄스 간섭은 공진기를 조명하기 위해 광대역 펄스 소스를 사용한다. 공진이 이동하면서이 경우, 상기 공진기는, 그 공진 주파수에 대응하는 파장들만을 송신하는 대역 통과 필터로서 작용다시 14,15 직교하도록 고정 마하 젠더 간섭계를 이용하여, 예 공진기의 출력시 광 신호의 파장 변화를 측정함으로써 검출. 자동 리셋 회로는 즉시 인해 환경 조건에 극단적 인 변화에 분실되는 경우 간섭계의 작동 지점을 복원하는 데 사용됩니다. 이 때문에 소스의 상대적으로 넓은 대역폭, 공진 파장은 열악한 환경 조건에서 안정된 검출 작업을 가능하게, 심지어 강한 섭동에서 조명 대역 내에서 유지됩니다. 심문, 광학 펄스를위한 코 히어 런트 소스의 사용은 낮은 노이즈 검출을 용이하게한다.

실험에 사용 된 대응 펄스 간섭계 시스템은도 1에 도시된다. 심문 사용할 펄스 레이저가 100 이상 60 mW의 그리고 스펙트럼 폭의 출력 전력과 100 MHz의 반복율에서 90 FSEC 펄스를 생성뉴 멕시코. 광학 필터는 약 0.4 ㎚의 FWHM 스펙트럼 폭이 있고 공진 주파수에 동조 하였다. 필터 후, 광 증폭기는 필터링에 상당한 손실을 보상하기 위해 사용되었다. 추가 필터링은 증폭기에서 증폭 된 자연 방출을 줄이기 위해 증폭단 후에 도포 하였다. 실험에 사용되는 공진기, 특히 초음파 감지 의료용 Teraxion 사 제조 PI-위상 시프트 된 광섬유 브래그 격자 (π-FBG) 08이고, π-FBG를 모든 섬유 성분있는 장점을 가지고 따라서 강력한 소규모.도 2는이 연구에서 사용 된 광섬유의 치수와 15 MHz의 소형화 혈관 내 초음파 (IVUS) 압전 변환기 사이의 비교를 나타낸다. 이러한 평면 도파로 제작 마이크로 링 공진기와 같은 일부 다른 공진 기반의 탐지 방식은 구성 요소의에서 커플 링 섬유를 필요로입력 및 출력, 더 깨지기 쉬운 장치에 선행 또는 소형화를 방해 하나. 대조적으로,-π에서 광섬유 브래그 격자는 파이버 성분이고, 추가로 섬유 결합을 필요로하지 않는다. π-광섬유 브래그 격자의 공진은 그들의 중앙 PI 위상 시프트에 의해 생성된다; 광은 격자 자체의 길이보다 상당히 짧은 섬유의 부분 위에 PI 위상 시프트 주위 포획된다. 우리의 실험에서는, π-FBG는 4mm 및 κ = 2mm의 결합 계수의 길이를 가지고 있었다 -1 감도는 감성 지수 κ의 비율로 격자의 중심에서 감소함에 따라, 그 길이를 따라 불균일하게 분포시켰다 . 감도 분포 (SD)의 전체 폭의 절반 - 최대 (FWHM)은 약 350 μM이었다. 격자의 공명 폭은 그 길이 및 다음 식에 따라 그 결합 계수 모두에 의해 결정된다 :

식 (1) λ는 공진 파장, n은 어디 EFF는 섬유 (8)으로 안내 모드의 유효 굴절률이다.

π-FBG 감지기 이미징 응용 프로그램에 적합 여부를 평가하려면, 공간적으로 의존 응답은 넓은 주파수 대역에 걸쳐 측정 할 필요가있다. 그러나이 작업은 기존의 음향 기술을 사용할 때 매우 도전이다. 따라서 우리는 투명한 한천에 포함 된 어두운 미세한 구체 optoacoustic 점 광원 역할을하는 초음파 검출기 특성 16 optoacoustic 방법을 사용합니다. 우리의 실험에서, 미세 구가 약 100 ㎛의 직경을 가지고 있으며, 10 Hz에서의 반복률, 약 13 나노초의 펄스 지속 시간, 그리고 200 mW의 평균 전력으로 고성능 나노초 펄스 광으로 조명된다. 미세한 SPH에 입금 광 에너지ERES optoacoustic 효과로 인해 광대역 초음파 신호를 생성한다. π-FBG 감지기는 그것의 공간적 따라 음향 응답을 얻기 위해 미세한 영역에 상대적으로 번역됩니다. 그림 3은 optoacoustic 실험의 그림을 보여줍니다. 일반적으로,이 기술은 초음파 검출기의 종류를 특성화하기 위해 사용될 수있다.

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Protocol

π-FBG 감지기 1. Optoacoustic 특성

  1. 한천에 현탁 미세한 구형의 준비 :
    1. 유리 비커에 증류수로 한천 분말 (1.3 중량 %)을 혼합. 끓는 온도에 가까운 용액을 가열하고 용액이 공기 거품의 명확하고 무료로 될 때까지 한천 분말을 용해 할 수있는 핫 플레이트 자석 교반기 장치를 사용합니다. 대안 적으로, 한천 용액을 수동으로 유리 교반기를 사용하여 교반하면서 수행 종래의 전자 렌지를 사용하여 가열 될 수있다. 플라스틱 금형, 그 팁 예를 들어 주사기에 뜨거운 용액을 붓고 잘라.
    2. 한천 솔루션에 대한 현미경 분야의 소량을 뿌려 솔루션이 완전히 응고 될 때까지 기다립니다. 플런저를 밀어 금형 밖으로 고체 한천 팬텀을 가져 가라.
    3. 입체 현미경으로 팬텀을보기는 하나의 미세한 영역을 포함 한천의 작은 조각을 잘라.
    4. 1.1.1 단계를 반복 t을 추가한천 솔루션 단일 미세한 구를 포함하는 고체 한천 조각 오.
    5. 응고 후, 미세 구가 가까운 팬텀의 표면에 위치하도록 현미경 한천 팬텀를 잘라.
  2. Optoacoustic 측정
    1. π-FBG의 양쪽에 단단히 섬유를 보유하는 두 개의 V 홈 섬유 홀더를 사용하여 세 가지 차원 (XYZ) 번역 시스템 운영 단계에 홀더를 연결. 섬유는 초음파의 전달을 가능하게 침수되어 있는지 확인합니다.
    2. 고전력 나노초 펄스 레이저 광 섬유의 다른 부분을 조명 의해 감지 π-FBG 요소의 대략적인 위치를 찾는다. 조명이 π-FBG에서 수행되는 경우에는 약한 코팅의 광 흡수는 신호를 생성합니다.
    3. 직접 π-FBG 아래 한천 포함 된 미세 구를 놓습니다. 미세한 영역은 육안으로 볼 수 있어야합니다.
    4. 이동 스테이지를 사용하여, 미세한 구형에서 신호가 최강과 그 대응 시간 지연이 최소 인 위치를 찾기 위해 접지에 평행 한 평면에서 π-FBG의 2D 검사를 수행한다.
    5. 미세한 영역에 최대 전력을 제공하는 조명에 마지막 조정을 수행합니다.
    6. 이동 스테이지를 사용하여 π-FBG의 3 차원 스캔을 수행하고, 각 위치에 대하여 신호를 기록한다.
    7. 초음파 검출기의 공간적 종속 주파수 응답을 얻기 위해 푸리에 기록 시간 영역의 초음파 신호의 변환을 수행한다.

견고 함과 π-FBG 감지기의 성능의 감도 2. 추정

  1. π-FBG의 양쪽에 단단히 섬유를 보유하고 π-FBG 잠수함 두 개의 V 홈 섬유 홀더를 사용합니다.
  2. π-FBG 얼굴을 튼튼하게 어두운 판 또는 흑연 막대를 삽입하고 그것을 재치를 조명강한 음향 장을 생성하는 H 고전력 나노초 펄스 레이저 빔.
  3. 물 탱크 내부에 물 펌프를 배치하고 환경 조건의 급격한 변화를 만들기 위해 전원을 켭니다.
  4. 시스템의 견고성을 추정하기 위해, 잠금 회로와 출력을 측정 모두 온 오프. 제공된 잠금이 수행되지 않은 경우, 정확하게 초음파 신호를 검출하는 것은 불가능하다.
  5. 물 펌프의 전원을 끕니다.
  6. 인해 소스의 높은 간섭으로 감도 이득을 추정하기 위해, 저 간섭 소스와 광대역 펄스 레이저를 교체하고 음향 측정을 반복한다. 저 간섭 소스가 사용될 때 감도의 강도의 순서 이상의 감소가 예상된다.

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Representative Results

도 4a 및도 4b는 각각 π-FBG의 중심으로부터 옵셋 세 섬유가 1 ㎜의 거리에있는 미세한 구형에서 신호 및 해당 스펙트럼을 보여준다. 도 3에 도시 된 바와 같은 오프셋은, Z 방향으로 주어진다. 분명히, 고주파 초음파 (f> 10 MHz 이상)에 대한 광 검출기의 감도는 이방성이고, π-FBG의 중심에 직접 미세 구 이상일 때 가장 높은 . 실리카 섬유와 물 사이의 높은 음향 임피던스 불일치에도 불구하고, 뚜렷한 공명은 이미징 응용 프로그램에 필요한 잘 정의 된 날카로운 optoacoustic 신호로 이어지는, 6 MHz 이상의 주파수에서 발생하지 않습니다. F <6 MHz에서 공진 주파수가 검출을 위해 사용될 수 있지만 일반적으로, 이미징을위한 그들의 사용은 크게 화상 F 복잡해 모델 기반 재구성 모델에서의 혼입을 필요ormation 알고리즘 17.

도 5는 펄스 원과 낮은 간섭 소스를 사용하여 측정 된 초음파 신호 간의 비교를 도시한다. 때문에 낮은 간섭 소스에 의해 얻어진 낮은 감도, 높은 크기를 갖는 optoacoustic 소스는도 3-4의 실험에서 사용 된 것과 비교 하였다. 즉, optoacoustic 소스는 광섬유에서 1.5 mm의 대략적인 거리에 위치되며,도 3-4의 실험에 사용 된 것과 동일한 레이저로 조명 된 0.7 mm의 직경을 갖는 흑연 막대이었다. (18)의 계수의 감도의 현저한 감소는 저 간섭 소스로 검출 된 신호에 대해 관찰된다. 소스의 광대역 스펙트럼 랜덤 프로세스에 의해 생성 될 때 비 간섭 성 광대역 광원의 경우에 얻어지는 낮은 감도가 내재되어있다. 이에 대하여, 코 히어 런트 펄스 소스, 광대역 RESP온세는 결정 프로세스의 결과이다.

그림 1
그림 1. 초음파 감지에 사용되는 광 설치. 감지 요소는 브래그 격자 파이 위상 시프트 섬유 및 판독 시스템은 펄스 간섭을 기반으로합니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

그림 2
도 2. 15 MHz 및하기 Optica의 중심 주파수와 상용 성 혈관 내 초음파 프로브 간의 크기 비교이 작품에 사용되는 L-섬유 기반 센서 요소는. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

그림 3
그림 3. 광 검출기의 음향 반응을 측정하는 데 사용되는 optoacoustic 설정의 그림입니다. 높은 전력 나노초 펄스 조명 어두운 미세한 영역은 공간적으로 의존 음향 응답을 얻기 위해 세 가지 차원에서 번역 된 음향 포인트 소스를 구성 검출기. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

그림 4 도 4. 신호 (a)와 해당 스펙트럼 (b) π-FBG의 중심으로부터 옵셋 세 섬유가 1 ㎜의 거리에서 미세 구 (도 3에 도시 된 바와 같이)으로부터 검출. 스펙트럼이 100 μm의 직경을 가진 이상적인 구형 소스의 스펙트럼을 비교하면. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

그림 5
그림 5. 펄스 소스와 알을 사용하여 얻은 초음파 신호의 비교오우 - 일관성 소스. 감도 상당한 감소가 낮은 간섭 소스로 검출 신호를 관찰된다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

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Discussion

결론적으로, 초음파 감지를위한 새로운 광 방법은 π-FBG 펄스 간섭의 조합을 기반으로하는, 도입된다. 이 기술은 특히 거의 임의의 개체 조명 패턴을 가능 센싱 요소의 투명성 때문에 optoacoustic 이미징 애플리케이션에 적합하다. 반면, 표준 압전 기반의 초음파 탐지기는 불투명하기 때문에 부피가 큰 영상 설정에지도 이미지가 개체에 광학 경로의 일부를 차단합니다. 개발 된 광 검출기 따라서 optoacoustic 기술의 소형화 및 임상 번역을 용이하게 할 수있다.

촬상 소자의 물리적 및 기계적 특성은 사용 된 섬유에 달려있다. 상업적으로 이용 가능한 단일 모드 섬유는 상대적으로 튼튼하고 작은 수 있습니다. 예를 들어,이 문서에서 사용되는 한, 250 ㎛ 이하보다 크고 1 ㎝의 파손 굽힘 반경의 직경 실리카 섬유에서 STA 아르ndard. 플라스틱 섬유가 또한 사용될 수 있고,보다 나은 기계적 특성을 가질 수있다; 그러나, 고품질의 광섬유 브래그 격자의 제조는 실리카 섬유에서 현재 시판되고있다.

PI-위상 시프트 된 FBG의 설계는 상기 광 검출기의 감도 및 공간적 종속 음향 응답을 결정한다. 일반적으로, 공진 최대 감도를 달성하기 위해 가능한 한 좁게하는 것이 바람직하다. 그러나, 헤르츠로 측정 공진의 폭은 그 적절한 작동을 허용하기위한 검출기 원하는 음향 대역폭보다 높아야한다. 또한, 고품질의 π-FBG 현재 그의 제조 된 몇 회사에서 제공 고정밀 제조 능력을 필요 주문품 제품이다.

펄스 간섭은 광학 센서 소자에서 신호를 판독 및 휘발성 환경 조건에서 강력한 성능을 가능하게하는 데 사용됩니다. 소스의 대역폭을 결정안정성과 성능 간의 트레이드 오프 : 그 대역폭이 너무 작게 선택하면, 그것은 단지 약한 교란의 공명을 다룰 것입니다. 대역폭이 너무 크면, FBG의 입력에서의 에너지의 일부분 만이 송신 될 것이다. 대역폭 인해 증폭 된 자연 방출에 시스템의 노이즈를 감소시키는 추가적인 이점을 제공하는 광 대역 통과 필터에 의해 제어된다.

초음파 검출기의 감도 필드 optoacoustic 이미징 애플리케이션에서 중요한 역할을한다. 그것은 따라서 검출기의 응답이 optoacoustic 설치에있는 그것의 설립 전에 특징으로하는 것이 좋습니다. 우리의 실험에서, π-FBG는 포인트 소스 (그림 4) 격자의 중앙 부근에있는 경우에만 (F> 6 MHz의) 높은 주파수에서 좋은 감도를 제공한다. 이 검출기는 상대적으로 비 발산 감도 필드가 제안합니다. 따라서 갔지N optoacoustic 이미징 실험에 사용, 높은 초음파 검출 감도가 획득되는 영역들로 전달되는 조명에 매우 유익하다.

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Disclosures

저자는 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.

Acknowledgements

DR은 독일 연구 재단 (DFG) 연구비 (RA 1분의 1,848)과 유럽 연구위원회 그랜트부터의 지원을 인정합니다. VN은 유럽 연구위원회 고급 탐정 상 재정 지원을 인정하고, 의학 상에 BMBF의 혁신.

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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References

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