宽带超声医疗成像应用,光学检测仪

Bioengineering

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Summary

光学检测超声检查是不切实际的许多成像方案,因为它往往需要稳定的环境条件。我们展示了一个光学技术的超声波传感动荡的环境与适宜光声成像的小型化和灵敏度水平的限制情况下, 血管内应用。

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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

超声的光学传感器是一种很有前途的替代压电技术,因为已经在光声成像领域,最近证实。在医疗应用中,光学感测技术的主要限制之一是其易感性的环境条件, 例如变化的压力和温度,这可能饱和的检测。此外,临床环境中经常施加在传感器上的大小和鲁棒性严格限制。在这项工作中,脉冲干涉和基于光纤的光学感测的组合被证明为超声检测。脉冲干涉使读出系统中的环境条件快速变化的存在的鲁棒性能,而使用的全光纤技术导致具有高要求的医疗应用中,例如血管内成像相容的机械柔性传感元件。为了实现短的传感器的长度,一的π相移的光纤布喇格光栅时,它充当谐振器捕集光超过350微米的有效长度。实现高​​带宽,该传感器用于检测侧向超声波的,这是在圆周成像几何形状,如血管内成像高度有利的。一种光声成像的设置是用来确定该传感器用于在不同位置的声源点的响应。

Introduction

超声波探测器在许多成像应用中发挥了关键作用。按照惯例,超声波是由压电换能器,其转换压力波成电压信号检测1。在光声成像,超声是通过热膨胀过程中通过用高功率调制的光照射2-6生成的对象。虽然压电换能器是选择在光声应用的方法中,它们的使用往往阻碍了小型化的,主要是因为小型化的压电换能器通常具有低灵敏度。另外,由于压电振子是光学不透明的,它们可能会严重的光传递到成象物体干扰,限制了可以使用的成像结构的可能性。光被反向散射从物​​体到传感器也可以限制正确检测超声波和成像系统的设计复杂化,由于光诱导学与寄生虫病IC信号在换能器7。

超声的光学检测器已被确认为,提供在光声成像的场景8-12许多好处一个可能替代压电换能器:它们通常是透明的,通常可以小型化而不损失灵敏度。光学检测器的工作原理是干涉检测在光学介质由于超声波的存在而产生的微小变形。通常,光学谐振器中使用,以提高检测的灵敏度由在扰动介质俘获光的持续时间延长,从而增加了变形的光信号的相位的影响。在这种情况下,光学检测方案是基于监测变化的谐振波长,这直接关系到结构变形的谐振器。最常见的是,使用窄线宽连续波(CW)技术,其中CW激光器被调谐到日Ë共振波长。小偏移的共振波长的变化的共振范围内的激光的波长的相对位置,这样就造成在发送/激光反射光,从而可以容易地监测的强度变化。然而,如果共振位移太强, 例如由于大的变化,压力,温度,或振动,共振可能转向完全远离激光的波长,有效饱和检测器13。

脉冲干涉14提供了一个解决方案,信号饱和的限制,使易挥发的环境条件下的超声检测。而相比之下,窄线宽CW计划,脉冲干涉采用宽带脉冲光源来照亮谐振器。在这种情况下,谐振器作为一个带通滤波器,仅发送那些对应于它的谐振频率的波长,而共振转移一个再通过测量在谐振器的输出, 例如 ,通过使用马赫-曾德尔干涉仪锁定到正交14,15的光信号在波长变化进行检测。自动复位电路用于立即恢复干涉仪的工作点在其丢失,由于在环境条件极端变化的情况。由于源的相对广泛的带宽,谐振波长停留在照射范围内,即使在强干扰,即使在恶劣的环境条件下实现稳定的检测器操作。审讯, 光脉冲,使用相干光源的利于低噪声检测。

在我们的实验中所采用的相应脉冲干涉测量系统示于图1。用于问诊的脉冲激光产生90飞秒脉冲在100 MHz与60毫瓦,光谱宽度超过100的输出功率的重复率纳米。光学滤波器具有约0.4纳米的FWHM光谱宽度和被调谐到谐振频率。以下的过滤器,光放大器被用于补偿在滤波的显著损失。额外的过滤是在扩增阶段之后施加,以减少从放大器放大的自发辐射。在我们的实验中所使用的谐振器是一个π相移的光纤布拉格光栅(π-FBG)8,由TeraXion公司公司制造特别是用于超声波检测的医疗应用中,π-光纤光栅有被全光纤组件的好处,因此健壮和小。 图2示出光纤在这项工作中使用的尺寸和15 MHz的小型化的血管内超声(IVUS)压电换能器之间的比较。一些替代共振为基础的检测方法,如在平面制作波导的微环谐振器,需要耦合纤维在组件的输入和输出,要么导致更脆弱的设备或妨碍小型化。与此相反,π-光纤光栅是在光纤组件,并且不需要额外的光纤耦合。在π-光纤光栅的共振是由它们的中心的圆周率相移创建;光被捕获围绕以上,比光栅本身的长度大大短纤维的一部分的pI相移。在我们的实验中,π-FBG为4毫米,κ=2毫米耦合系数的长度-1,并且其灵敏度分布不均匀地沿其长度,用灵敏度指数从光栅的中心减小与κ的速率。灵敏度分布(SD)的全宽度半最大值(FWHM)为约350微米。光栅的共振宽度是由两个其长度,并根据下面的等式其耦合系数确定:

式(1)其中λ为谐振波长,n EFF的是引导在光纤8的模的有效折射率。

评估π-FBG检测器是否是适当的成像应用中,它的空间依赖反应需要在很宽的频带内进行测量。然而,这个任务是当使用传统的声学技术极具挑战性。因此,我们采用一种光声方法超声检测鉴定16在一个黑暗的显微球体嵌入透明的琼脂作为一种光声点源。在我们的实验中,微观球体的直径为约100微米,被照射高功率的纳秒光脉冲的重复频率为10Hz,约8毫微秒脉冲持续时间,和200毫瓦的平均功率。沉积在微观sph的光能量ERES产生由于光声效应的宽带超声信号。该πFBG检测器相对转化为微观球体,得到其空间相关的声学响应。 图3示出了光声实验的示意图。通常,该技术可以被用来表征不同种类的超声波探测器。

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Protocol

1,光声的π光纤光栅探测器的表征

  1. 准备一个微小的球体悬浮在琼脂:
    1. 混合琼脂粉末(按重量计1.3%),在玻璃烧杯中的蒸馏水。使用热板磁搅拌器装置来加热溶液接近沸腾的温度和溶解的琼脂粉末,直到溶液变成气泡的清晰和自由。可替换地,琼脂溶液可以用常规的微波与手动使用的玻璃搅拌器搅拌下进行加热。倒入热溶液倒入一个塑料模具, 注射器,其顶端切掉。
    2. 撒上少量的琼脂溶液微观领域,并等待,直到溶液完全凝固。通过推动柱塞采取固体琼脂幻影出模具。
    3. 观看立体显微镜下的幽灵剪一小块琼脂其中包含一个单一的微观领域。
    4. 重复步骤1.1.1和增加TØ琼脂溶液中的单个微观领域的固体琼脂片。
    5. 凝固后,切显微镜,使得显微球体靠近幻影表面下的琼脂幻影。
  2. 光声测量
    1. 用两个V形槽光纤支架紧紧地保持在纤维上的π-FBG的两侧,和夹持器连接到一个三维(XYZ)翻译计算机操作的阶段。确保纤维被浸没,使超声波的传播。
    2. 查找所述感测的π-FBG元件的受照射的纤维的不同部位与高功率纳秒脉冲激光光束的大致位置。光吸收涂层的,然而弱,会产生一个信号,当在π-FBG进行照明。
    3. 将琼脂包埋微观球体直接指向下方的π-FBG。微观领域应该是可见的,肉眼。
    4. 使用翻译阶段,在平行的平面进行的π-FBG的2D扫描到地面寻找到从微观领域的信号是最强的,其对应的时间延迟最短的位置。
    5. 执行最后一次调整照明以提供最大功率的微观领域。
    6. 使用翻译阶段执行π-FBG的三维扫描,并在每个位置上记录信号。
    7. 取得的超声波探测器的空间相关的频率响应,执行对所记录的时域超声信号的傅立叶变换。

鲁棒性和π-FBG探测器的性能灵敏度的2。估计

  1. 用两个V形槽光纤支架紧紧地保持在纤维上的π-FBG的两侧,并浸没π-FBG。
  2. 将深色板或石墨棒茁壮面对的π-FBG,照亮它的机智h时高功率纳秒脉冲激光束,形成强大的声场。
  3. 将水泵水箱内,打开它,以建立在环境条件的快速变化。
  4. 来估计系统的鲁棒性,测量与所述锁定电路的输出变成开和关。当没有进行锁定,因此不可能精确地检测到的超声信号。
  5. 关闭水泵关闭。
  6. 为了估计灵敏度的利益由于源的高相干性,具有低相干光源更换宽带脉冲激光,重复声学测量。当低相干源用于预期的下降超过一个数量级的灵敏度。

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Representative Results

图4a4b分别显示了从微观球体在从纤维从π-FBG的中心3的偏移的距离为1毫米的信号和它们的相应的光谱。的偏移量给出在z方向上,如在图3中所描绘,显然,所述的光检测器的灵敏度,以高频超声(F> 6兆赫)是各向异性的,并且是最高时的π-FBG的中心是微观球体正上方。尽管二氧化硅纤维和水之间的高的声阻抗失配,没有明显的共振频率高于6MHz的观察,导致良好定义的锋利光声信号,成像所需的应用程序。通常,虽然可以使用用于感测的谐振频率在f <6兆赫,其用于成像就需要将其纳入一个基于模型的重建模型中,像f显著复杂ormation算法17。

图5示出了使用脉冲源和一个低相干源测得的超声信号之间的比较。因为由低相干源获得的灵敏度低,具有较高数量级的光声源被用于比较在图3-4的实验中使用的1。即,光声源是石墨棒,其直径为0.7毫米,位于1.5毫米的纤维的近似距离,并照射在图3-4的实验中所用相同的激光。显著减少18的一个因子的灵敏度是观察与低相干源探测到的信号。在非相干宽带源的情况下所获得的较低的灵敏度是固有的作为源的宽带频谱是由一个随机过程产生的。与此相反,在相干脉冲源,所述宽带呼吸道ONSE是一个确定性过程的结果。

图1
图1:用于超声检测的光学装置的传感元件是一个π相移光纤光栅,并读出系统是基于脉冲干涉。 点击这里查看大图

图2
图2为15 MHz,而光学中心频率的商业血管内超声探头之间的大小比较在这项工作中使用L-基于光纤的传感元件。 点击这里查看大图

图3
图3:用于测量光检测器的声学响应的光声设置的一个例子,一个黑暗的微观领域照明高功率纳秒脉冲构成声点源,这是翻译的三个维度,以获得空间相关的声学响应该探测器。 点击这里查看大图

图4 图4的信号(a)和其相应的质谱图(b)所述微观领域(如在图3中示出)在从纤维从π-FBG的中心3的偏移的距离为1mm的检测。该光谱比较理想的球形源直径为100微米的频谱。 点击这里查看大图

图5
图5:获得使用脉冲源和人的超声波信号之间的比较OW相干源。显著减少敏感性观察与低相干检测到信号源的信号。 点击这里查看大图

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Discussion

总之,超声检测一个新的光学方法被引入,这是基于一种π-FBG和脉冲干涉的结合。该技术特别适合于由于传感元件,可实现几乎任意物体的照明图案的透明性光声成像应用。与此相反,基于标准的压电超声探测器是不透明的,从而阻止某些光路的成像物体,导致笨重的成像设置。因此,开发了光学检测器可以促进光声技术的微型化和其临床翻译。

传感元件的物理和机械性能取决于所用的纤维。市售的单模光纤的相对持久的和小的。例如,在二氧化硅纤维,如1在本文中使用的,直径为250微米或更小的和小于1厘米断裂弯曲半径是站ndard。塑料的纤维也可以使用,并且可以具有更好的机械性能;然而,高质量的光纤光栅的制造是目前市售只在二氧化硅纤维。

的π型相移光栅的设计决定了光检测器的灵敏度和空间相关的声学响应。通常,理想的是在谐振是尽可能地窄,以实现最大的灵敏度。然而,在赫兹测得的共振的宽度必须比希望的声音带宽的检测器更高的,以允许它的正常运行。此外,高品质的π-FBG目前是一个定制的产品,其制造需要由只有少数公司提供的高精度制造能力。

脉冲干涉被用于从光学传感元件读出的信号,使易挥发的环境条件下的鲁棒性能。源的带宽决定鲁棒性和性能之间的权衡:如果带宽选择为太小,它会覆盖只为弱扰动的共鸣。如果带宽过大,能量只在光纤光栅的输入端的一小部分将被发送。的带宽是由光学带通滤波器,其中还提供了一种降低在系统中引起的噪声放大的自发辐射的一个额外的好处控制。

超声波检测器的灵敏度字段中起着光声成像应用中具有重要作用。因此,建议该探测器的响应来表征其纳入了光声设置之前。在我们的实验中,π-FBG在高频率下提供了良好的灵敏度(F> 6兆赫),只有当源点被定位成靠近所述光栅的中心( 图4)。这表明,在检测器具有相对非发散灵敏度字段。因此,磨片n个光声成像实验中使用,它是用于照明被传递到获得高的超声波检测的灵敏度,其中区域非常有益的。

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Disclosures

作者宣称,他们有没有竞争的财务权益。

Acknowledgements

DR确认来自德国研究基金会(DFG)的研究资助(RA1分之1848)和欧洲研究委员会开始给予扶持。 VN确认来自欧洲研究委员会高级研究员奖的财政支持,以及BMBF的创新医学奖。

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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