Широкополосный оптический детектор ультразвука для медицинской визуализации приложений

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

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.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

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:

Уравнение 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Оптоакустическая Характеристика π-ВБР детектор

  1. Подготовка микроскопической сфере приостановлено в агар:
    1. Смешайте порошок агара (1,3% по весу) дистиллированной водой в стеклянном стакане. Используйте горячей плите магнитно-мешалки устройство для нагрева решение близко к температуре кипения и растворить агар порошок, пока раствор не станет чистой и свободной от пузырьков воздуха. Альтернативно, раствор агара может быть нагрет с помощью обычной микроволновой при перемешивании выполняется вручную с помощью стеклянной мешалки. Вылейте горячий раствор в пластиковых форм, например шприц с его кончика вырезать.
    2. Опрыскивание небольшое количество микроскопических сфер на раствора агара и ждать, пока раствор полностью не затвердеет. Возьмите прочную агар фантом из формы, нажав на поршень.
    3. Просмотр фантом под стереоскопическим микроскопом вырезать небольшой кусочек агара, который содержит один микроскопический сферу.
    4. Повторите шаг 1.1.1 и добавить то агар решение агара кусок, содержащий один микроскопический сферу.
    5. После застывания, вырезать агара фантом под микроскопом такого, что микроскопическая сфера находится близко к поверхности Призрака.
  2. Оптоакустическая измерения
    1. Используйте два держателя V-образный паз волокна провести волокна плотно с обеих сторон π-ВБР, и связано держателю право на трехмерной (XYZ) перевода компьютера управлением этапе. Убедитесь, что волокно погружают чтобы дать возможность распространения ультразвука.
    2. Найти приблизительное местоположение чувствительного π-ВБР элемента при освещении различных частей волокна с высокой мощности наносекунд-импульсного лазерного луча. Оптическое поглощение покрытия, однако слабым, создаст сигнал, когда освещение выполняется на π-FBG.
    3. Поместите агар встраиваемый микроскопический сферу непосредственно под π-ВБР. Микроскопическая сфера должна быть видна невооруженным глазом.
    4. Использование этап перевода, выполнить 2D сканирование π-ВБР в плоскости, параллельной к земле, чтобы найти место, где сигнал от микроскопической сфере является сильнейшим и соответствующая задержка кратчайшая.
    5. Выполните последние коррективы в освещении, обеспечивая максимальную мощность на микроскопическом сфере.
    6. Использование этап перевода выполнить 3D сканирование π-ВБР и записывать сигнал для каждой позиции.
    7. Для получения пространственно зависимой частотную характеристику детектора ультразвука, выполнять преобразование Фурье на записанном ультразвуковой сигнал временной области.

2. Оценка надежности и чувствительность результатов деятельности π-FBG извещателя

  1. Используйте два держателя V-образный паз волокна провести волокна плотно с обеих сторон π-ВБР и погрузите π-ВБР.
  2. Наведите темный тарелку или графитового стержня крепко столкнуться с π-ВБР и осветить его остроумиеч мощных наносекундных импульсов лазерного луча, чтобы создать сильное звуковое поле.
  3. Поместите водяной насос внутри бака воды и включите его, чтобы создать быстрые изменения в условиях окружающей среды.
  4. Для оценки надежности системы, измерить выход с фиксирующей цепи оказалось как на и вне. При отсутствии блокировки не выполняется, это не возможно точно определить ультразвукового сигнала.
  5. Поверните водяной насос выключен.
  6. Чтобы оценить преимущество в чувствительности из-за высокой когерентности источника, замените импульсный лазер широкополосный с низкой когерентности источника и повторить акустического измерения. Уменьшение над порядок чувствительности, как ожидается, когда используется источник низкокогерентного.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

4a и соответственно показывают сигналы и соответствующие им спектры от микроскопической сфере на расстоянии 1 мм от волокна для трех смещения от центра π-ВБР. Смещения приведены в г направлении, как показано на рисунке 3. Ясно, что чувствительность оптический детектор для высокочастотного ультразвука (F> 6 МГц) является анизотропной и является самым высоким, когда центр π-ВБР находится прямо над микроскопической сфере . Несмотря на высокую несоответствия акустического импеданса между кварцевого волокна и воды, никакие отдельные резонансы не наблюдается на частотах выше 6 МГц, что приводит к четко определенной резкой ОА сигнала, необходимого для получения изображений. Как правило, хотя резонансные частоты на F <6 МГц может быть использован для зондирования, их использование для визуализации потребует их использованию в модельной основе модели восстановления, значительно усложняет изображения еАлгоритм ormation 17.

Рисунок 5 показывает сравнение между ультразвуковых сигналов, измеренный с использованием источника импульсов и источник низкокогерентного. Из-за низкой чувствительности полученного от источника низкокогерентного, оптико-акустический источник с более высокой величины был использован в сравнении с той, которая используется в эксперименте фигурах 3-4. А именно, оптико-акустический источник был графитовый стержень диаметром 0,7 мм, расположены на расстоянии около 1,5 мм от волокна и освещенные с тем же лазера, используемого в эксперименте фигурах 3-4. Значительное снижение чувствительности в 18 раз наблюдается для сигналов, обнаруженных с источником низкокогерентного. Чем ниже чувствительность, которая получается в случае некогерентного источника широкополосного присуща как широкополосный спектр источника генерируется случайным процессом. В противоположность этому, в когерентного импульсного источника, широкополосный соответственноОНСЕ является результатом детерминированного процесса.

Рисунок 1
Рисунок 1. Оптическая установка используется для обнаружения ультразвука. Чувствительный элемент пи-сдвинутый по фазе волокна Брэгг решетки, а также считывание система основана на импульсном интерферометрии. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Рисунок 2
Рисунок 2. Размер сравнение между коммерческой внутрисосудистого ультразвукового зонда с центральной частотой 15 МГц и Opticaна основе л-волокна чувствительного элемента используется в этой работе. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Рисунок 3
Рисунок 3. Иллюстрация ОА установки, используемой для измерения акустического отклика оптического детектора. Темно микроскопическая сфера освещается импульсами высокой мощности наносекундных представляет собой акустическую точечный источник, который транслируется в трех измерениях, чтобы получить пространственно зависимой акустический отклик детектора. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Рисунок 4 Рисунок 4. Сигналы (а) и соответствующая их спектры (б) обнаружен с микроскопической сфере (как показано на рисунке 3) на расстоянии 1 мм от волокна для трех смещения от центра π-ВБР. Спектры сравнению со спектром идеального сферического источника диаметром 100 мкм. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Рисунок 5
Рисунок 5. Сравнение ультразвуковых сигналов получены с использованием источника импульса и альвл-когерентности источника. Значительное снижение чувствительности наблюдается для сигналов, обнаруженных с источником низкокогерентной. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 объект освещения. В отличие от этого, стандартные пьезоэлектрические ультразвуковые датчики на основе непрозрачны и, таким образом, блокируют некоторые из оптических путей до отображаемого объекта, что приводит к громоздких установок обработки изображений. Разработанная оптический детектор таким образом, может способствовать миниатюризации ОА технологии и ее клиническое перевод.

Физические и механические свойства чувствительного элемента зависит от типа используемого волокна. Коммерчески доступные одномодовые волокна являются относительно прочные и мало. Например, в кварцевых волокон, таких как той, которая используется в данном документе, диаметром 250 мкм или меньше, и обрыв радиусы изгиба менее 1 см являются станцииndard. Пластмассовые волокна также могут быть использованы и могут иметь лучшие механические свойства; Однако изготовление высококачественных ВБР в настоящее время коммерчески доступны только в кварцевых волокон.

Конструкция пи-сдвинутый по фазе FBG определяет чувствительность и пространственно зависимой акустический отклик оптического датчика. Как правило, желательно, чтобы резонансная быть как можно более узким, чтобы достичь максимальную чувствительность. Тем не менее, ширина резонанса измеряется в герцах, должна быть выше, чем желаемой пропускной способности для акустического датчика, чтобы его нормальную работу. Кроме того, высококачественный π-ВБР в настоящее время является индивидуальный продукт которого изготовление требует высокой точности производственные возможности, предлагаемые только несколько компаний.

Импульсный интерферометрии используется для считывания сигнала с оптического чувствительного элемента и позволяет надежную работу под летучих условий окружающей среды. Пропускная способность источника определенияы компромисс между надежностью и производительностью: Если полоса выбирается слишком мало, он будет охватывать резонанс только для слабых возмущений. Если ширина полосы является слишком большим, только часть энергии на входе FBG будут переданы. Ширина полосы контролируется полосовых оптических фильтров, которые также обеспечивают дополнительное преимущество снижения шума в системе из-за усиленного спонтанного излучения.

Поле Чувствительность детектора ультразвуковой играет важную роль в ОА и обработки изображений. Поэтому рекомендуется, что реакция детектора можно охарактеризовать, прежде чем ее включения в оптико-акустического установки. В наших экспериментах, π-ВБР обеспечивает хорошую чувствительность на высоких частотах (е> 6 МГц) только тогда, когда точечный источник расположен близко к центру решетки (рисунок 4). Это говорит о том, что детектор имеет относительно не-расходящуюся поле чувствительности. Таким образом, Wheн используется в оптико-акустических экспериментов визуализации, это очень полезно для освещения должны быть поставлены в регионы, в которых полученные чувствительность обнаружения высокого УЗИ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.

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

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hunt, J. W. Ultrasound transducers for pulse-echo medical imaging. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 30, 453-481 (1983).
  2. Razansky, D. Multispectral opto-acoustic tomography of deep-seated fluorescent proteins in vivo. Nature Photon. 3, 412-417 (2009).
  3. Ntziachristos, V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nature Methods. 7, 603-614 (2010).
  4. Wang, L. H., Hu, S. Photoacoustic tomography: In vivo imaging from organelles to organs. Science. 23, 1458-1462 (2012).
  5. Sethuraman, S. Photoacoustic imaging using an IVUS imaging catheter. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 54, 978-986 (2007).
  6. Rosenthal, A. Optoacoustic methods for frequency calibration of ultrasonic sensors. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 58, 316-326 (2011).
  7. Rosenthal, A. High-sensitivity compact ultrasonic detector based on a pi-phase-shifted fiber Bragg grating. Optics Letters. 36, 1833-1835 (2011).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Grün, H. Three-dimensional photoacoustic imaging using fiber-based line detectors. Journal of Biomedical Optics. 15, 021306-02 (2010).
  12. Avino, S. Musical instrument pickup based on a laser locked to an optical fiber resonator. Optics. Express. 19, 25057-25065 (2011).
  13. Rosenthal, A. Wideband optical sensing using pulse interferometry. Optics Express. 20, 19016-19029 (2012).
  14. Rosenthal, A. Wideband fiber-interferometer stabilization with variable phase. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1499-1501 (2012).
  15. Rosenthal, A. Spatial characterization of the response of a silica optical fiber to wideband ultrasound. Optics Letters. 37, 15-3174 (2012).
  16. Rosenthal, A., Razansky, D., Ntziachristos, V. Model-based optoacoustic inversion with arbitrary-shape detectors. Medical Physics. 38, 4285-4295 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics