医療画像処理アプリケーションのための超音波の広帯域光検出器

Bioengineering

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Summary

それは多くの場合、安定した環境条件を必要とするため、超音波の光学的検出は、多くの画像化シナリオでは非現実的である。私たちは、制限的なシナリオでの光音響イメージングのための適切な小型化と感度レベルを持つ揮発性環境における超音波の検知のための光学技術、 例えば 、血管内のアプリケーションを示しています。

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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

最近、光音響イメージングの分野において実証されているように、超音波の光学センサは、圧電技術に対する有望な代替物である。医療用途では、光センシング技術の主要な制限の一つは、検出を飽和得る圧力及び温度の変化、例えば 、環境条件に対するその感受性である。さらに、臨床環境は、多くの場合、センサーの大きさと堅牢性に厳しい制限を課している。本研究では、パルス干渉とファイバベースの光検出との組み合わせは、超音波検出のために示されている。全ファイバ技術の使用は、高度な血管内イメージングなどの医療要求の厳しいアプリケーションに対応して、機械的に柔軟性の検出素子につながるのに対し、パルス干渉法は、環境条件の急激な変化の存在下で、読み出しシステムの堅牢な性能を可能にします。 、短いセンサ長を達成するためにπ位相シフトファイバブラッググレーティングは350ミクロンの有効長さにわたって光をトラップ共振器として作用するために使用される。高帯域幅を有効にするには、センサーは、血管内イメージングなどの周イメージングジオメトリにおいて非常に有益である超音波の横向きの検出に使用されます。光音響イメージング設定は、異なる位置での音響点源のためのセンサの応答を決定するために使用される。

Introduction

超音波検出器は、多くの撮像用途において重要な役割を果たす。従来、超音波を電圧信号1に圧力波を変換する圧電変換器によって検出される。光音響イメージングでは、超音波は高出力の変調光2-6でオブジェクトを照射することにより、熱膨張の過程を経て生成されます。圧電トランスデューサは、光音響の用途に最適な方法であるが、小型化された圧電トランスデューサは、多くの場合、低感度を特徴としているため、それらの使用は、多くの場合、主に小型化の妨げとなる。圧電変換器は光学的に不透明であるため、また、それらは深刻な使用可能な結像構成の可能性を制限する、撮像対象物への光の送達を妨害し得る。トランスデューサに物体から後方散乱された光は、超音波の適切な検出を制限し、光誘起によるparasitにイメージング·システムの設計を複雑にし得るトランスデューサ7でのICの信号。

超音波の光学検出器は、光音響イメージングシナリオ8月12日には多くの利点を提供した圧電振動子に可能な代替として認識されている:彼らは多くの場合、透明であり、通常、感度を失うことなく小型化することができる。光検出器の動作原理は、超音波の存在に光媒体で作成された微小な変形の干渉検出である。多くの場合、光共振器は、光信号の位相に対する変形の影響を増大させるため、拡張された持続時間の間、摂動媒体に光を捕捉することによって検出感度を向上させるために使用される。これらの場合、光学的検出スキームを直接共振器内で変形を構​​造化するために関連する共鳴波長の変化を監視することに基づいている。最も一般的には、狭線幅の連続波(CW)技術はCWレーザを目に同調されて使用される電子共鳴波長。共鳴波長の小さな変化、従って/伝達の強度のばらつきを引き起こす共振内でレーザの波長の相対的な位置を変更は容易にモニターすることができるレーザ光を、反射。共鳴シフトは、例えば圧力、温度や振動の大きな変動に起因して、強すぎる場合は、共振を効果的に検出器13を飽和させ、完全に離れて、レーザの波長からシフトさせてもよい。

パルス干渉14は、信号飽和の制限に対する解決策を提供しており、揮発性の環境条件の下で超音波検出を可能にします。 CW方式の線幅を狭くするとは対照的に、パルス干渉法は、共振器を照明するために、広帯域パルス光源を使用する。共振はシフトしながら、この場合に、共振器は、その共振周波数に対応する波長のみを透過、バンドパスフィルタとして機能する再直交14,15にロックされ、マッハツェンダ干渉計を用いることによって、共振器の出力における光信号の波長の変化を測定することによって検出した。自動リセット回路は、直ちにそれが、環境条件の極端な変化に失われた場合には、干渉計の動作点を復元するために使用される。なぜなら源の比較的広い帯域幅、共振波長が過酷な環境条件下で安定した検出動作が可能であっても強力な摂動の下で照明された帯域内に留まる。インタロゲーションのためのコヒーレント光源を使用すること、 すなわち、光パルスは、低ノイズ検出を容易にする。

我々の実験で使用し、対応するパルス干渉計システムを図1に示す。質問に用いるパルスレーザは、繰り返し60ミリワットの出力パワーを有する100MHzの速度および100上のスペクトル幅90フェムト秒のパルスを生成し程度。光学フィルターは、約0.4ナノメートルのFWHMスペクトル幅を持っていたし、共振の周波数に同調した。フィルタの後、光増幅器は、フィルタリングの有意な損失を補償するために使用した。追加のフィルタ、増幅器からの増幅された自然放出を減少させるために、増幅段の後に塗布した。私たちの実験で使用した共振器は、特に超音波センシング医療用Teraxion社製π位相シフトファイバブラッググレーティング(π-FBG)8、IS、π-のFBGは、全ファイバ部品であるという利点を持っているしたがって、堅牢で小さい。 図2は、本研究で使用した光ファイバの寸法および15MHzの小型化された血管内超音波(IVUS)は、圧電変換器との間の比較を示す。このような平面導波路で作製したマイクロリング共振器などのいくつかの代替共鳴ベースの検出手法は、コンポーネントの少なくとも結合繊維を必要とする入力と出力、より壊れやすいデバイスにつながるか、小型化を妨げるのどちらか。これとは対照的に、π-のFBGは、ファイバ内のコンポーネントであり、追加のファイバ結合を必要としません。 π-FBGの共振は、その中心部にあるπ位相シフトによって作成されます。光は、格子自体の長さよりもかなり短いファイバの一部にわたってπ位相シフトの周りに捕捉される。我々の実験において、π-FBGは4mmでκ= 2mmの結合係数の長さを有し-1およびその感度は、感度は指数関数的にκの速度で、格子の中心から減少に伴って、その長さに沿って不均一に分布した。感度分布(SD)の全幅半値(FWHM)は約350であった。格子の共鳴幅は、次式に従って、その長さとその結合係数の両方によって決定される。

式(1) λは共振波長であり、n effはファイバ8の導波モードの実効屈折率である。

π-FBG検出器は、イメージング用途に適しているかどうかを評価するために、その空間的依存性応答は、広い周波数帯域にわたって測定する必要がある。従来の音響技術が使用されるときは、このタスクは非常に困難である。そこで、透明な寒天内に埋め込 ​​ま暗い微視的球体が光音響点光源として機能する超音波検出器の特性評価のために16光音響法を用いる。我々の実験では、微視的球体は、約100μmの直径を有し、10Hzの繰返し率、約8ナノ秒のパルス持続時間、及び200ミリワットの平均電力と高電力ナノ秒光パルスで照射される。微視的SPHに堆積した光エネルギーERES光音響効果により、広帯域超音波信号を生成する。 π-FBG検出器は、その空間に依存音響応答を得るために、比較的微細な球体に変換されます。 図3は、光音響実験の図を示している。一般に、この技術は、超音波検出器の種類を特徴付けるために使用することができる。

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Protocol

π-FBG検出器の1。光音響特性評価

  1. 寒天に懸濁し、顕微鏡球の調製:
    1. ガラスビーカー中で蒸留水を用いて寒天粉末(1.3重量%)を混合する。沸点に近い解を加熱し、溶液が透明と気泡の自由になるまで、寒天粉末を溶解するために、ホットプレートマグネチック·スターラー·デバイスを使用してください。あるいは、寒天溶液をガラス攪拌棒を使用して手動で実行撹拌有する従来のマイクロ波を用いて加熱してもよい。プラスチック金型に高温の溶液を注ぎ、その先端に例えば注射器を切り出し。
    2. 寒天ソリューションに微細な球体の少量をふりかけ、溶液が完全に凝固するまで待ちます。プランジ​​ャーを押すことにより、金型から固体寒天ファントムを取る。
    3. 実体顕微鏡下でファントムを表示するには、単一の微細な球体が含まれている寒天の小片をカット。
    4. ステップ1.1.1を繰り返し、Tを追加寒天ソリューションOつの微細な球体を含有する固体寒天作品。
    5. 固化した後、微細な球体が、ファントムの表面に近い位置するように、顕微鏡下で寒天ファントムを切った。
  2. 光音響測定
    1. π-FBGの両側にしっかりと繊維を保持するために、2つのV溝ファイバホルダを使用し、三次元(XYZ)変換コンピュータ操作ステージにホルダーを接続されている。繊維は、超音波の伝播を可能にするために沈められていることを確認してください。
    2. ハイパワーナノ秒パルスレーザ光を光ファイバの異なる部分を照射することにより、検知π-FBG要素のおおよその位置を検索します。照明は、π-FBGに対して実行されたときしかし、弱い塗膜の光吸収は、信号が作成されます。
    3. π-FBGの真下に寒天包埋顕微球を配置します。微視的な球は、肉眼で見えるはずです。
    4. 並進ステージを使用して、微細な球体からの信号が最も強く、その対応する時間遅延が最も短い位置を見つけるために地面に平行な面内でπ-FBGの2次元走査を行う。
    5. 微視的な球に最大の電力を供給する照明への最後の調整を行う。
    6. 移動ステージを使用すると、π-FBGの3Dスキャンを実行し、それぞれの位置のための信号を記録します。
    7. 超音波検出器の空間依存の周波数応答を得るために、フーリエ記録された時間領域の超音波信号に変換を行う。

堅牢性とπ-FBG検出器の性能の感度2。推定

  1. π-FBGの両側にしっかりと繊維を保持し、π-FBGを沈めるために2つのV溝ファイバホルダを使用しています。
  2. π-FBGに直面して頑丈に暗いプレートまたはグラファイト棒を配置し、それをウィットを照らす強い音場を作成するには、H、高出力ナノ秒パルスレーザ光。
  3. 水タンク内の水ポンプを配置し、環境条件の急激な変化を作成するために、電源を入れます。
  4. システムのロバスト性を推定するために、ロック回路で出力を測定する両方のオン·オフ。まだロックが行われない場合には、正確に超音波信号を検出することができない。
  5. 水ポンプの電源をオフにします。
  6. 原因ソースの高コヒーレンスに対する感度で利益を推定するために、低コヒーレンス光源と広帯域パルスレーザーを交換し、音響測定を繰り返します。低コヒーレンス光源を用いた場合、感度の大きさのオーダーを超える減少が期待されている。

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Representative Results

図4aおよび4bは 、それぞれ、π-FBGの中心から三オフセットの繊維から1mmの距離で微視的球体からの信号と、それらに対応するスペクトルを示す。オフセットは、図3に示すように、zの方向に示されている。明らかに、高周波数超音波(fは> 6メガヘルツ)、光検出器の感度は、異方性であり、π-FBGの中心を直接顕微鏡球上である場合に最も高く。シリカ繊維と水との間の高音響インピーダンスの不整合にもかかわらず、明瞭な共鳴撮像用途に必要な明確に定義されたシャープな光音響信号をもたらす、6メガヘルツを超える周波数で観察されない。 fは<6 MHzの共振周波数を検知するために用いることができるが、一般的に、画像化のためのそれらの使用は、画像fを複雑化、モデルベースの​​再構成モデ​​ル内のそれらの組み込みを必要とするormationアルゴリズム17。

図5は、パルス源と、低コヒーレンス光源を用いて測定された超音波信号の間の比較を示す。なぜなら、低コヒーレンス光源によって得られた低感度、高い大きさを有する光音響源は、 図3-4の実験で使用したものと比較して用いた。すなわち、光音響源は、ファイバから1.5mmのおおよその距離に位置すると、図3-4の実験で使用した同じレーザーで照射さ0.7mmの直径を有するグラファイト棒であった。 18倍の感度の有意な減少は、低コヒーレンス光源と検出された信号について観察される。広帯域光源のスペクトルは、ランダムプロセスによって生成されるインコヒーレントな広帯域光源の場合に得られるより低い感度が固有のものである。これとは対照的に、コヒーレントパルス光源において、広帯域RESPオンセは決定論的プロセスの結果である。

図1
図1。超音波検出に使用される光学装置。検知素子は、ブラッググレーティングπ位相シフトファイバであり、読み出しシステムは、パルス干渉法に基づいています。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください

図2
図2。15 MHzおよび視神経の中心周波数を有する市販の血管内超音波プローブ間のサイズ比較本研究で使用L-ファイバベースセンサ素子。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください

図3
図3の光検出器の音響応答を測定するために用い光音響セットアップの説明図。ハイパワーナノ秒パルスで照明暗い球が微視的な空間依存音響応答を得るために、三次元的に翻訳される音響点光源を構成する検出器。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください

図4 図4の信号(a)および(b)π-FBGの中心から三オフセットの繊維から1mmの距離で微視的球体( 図3に示されるように)から検出されたそれらの対応するスペクトルを示す。スペクトルは、直径100μmの理想的な球状の光源のスペクトルと比較されます。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください

図5
図5パルス源とアルを用いて得られた超音波信号との間の比較OWコヒーレンス源。感度の大幅な削減は、低コヒーレンス光源と検出された信号のために観察される。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください

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Discussion

結論として、超音波検出のための新たな光学的方法は、π-FBG及びパルス干渉法の組み合わせに基づいており、導入される。技術は、ほとんど任意の物体照明パターンを可能にする検出素子の透明性により光音響イメージング用途に特に適している。これとは対照的に、標準的な圧電基づいて超音波検出器は不透明であるため、かさばるイメージングセットアップにつながる、画像化されたオブジェクトに光路の一部をブロックします。開発された光検出器は、このように光音響技術とその臨床翻訳の小型化を容易にすることができる。

検知素子の物理的および機械的特性は、使用される繊維に依存する。市販のシングルモードファイバは、比較的耐久性が小さい。例えば、このような本論文で用いたものとシリカ繊維、で、250ミクロン以下の直径および1cm未満の破断曲げ半径は、STAであるndard。プラスチック繊維も使用することができ、良好な機械的特性を有していてもよい;しかしながら、高品質のFBGの製造は、シリカ繊維、現在市販されている。

π位相シフトFBGのデザインは、光検出器の感度と空間依存音響応答を決定します。一般に、共振が最大の感度を達成するために、できるだけ狭いことが望ましい。しかし、ヘルツで測定された共振の幅は、その適切な動作を可能にするために、検出器のための所望の音響​​帯域幅よりも高くなければならない。さらに、高品質のπ-FBGは、現在、その製造だけ少数の企業が提供する高精度の製造能力を必要とするカスタムメイドの製品です。

パルス干渉光感知素子から信号を読み出すために使用され、揮発性の環境条件下で堅牢な性能を可能にする。光源の帯域幅を決定ロバスト性と性能の間のトレードオフだ:帯域幅が小さすぎるとなるように選択される場合、それは弱い摂動共鳴をカバーする。帯域幅が大きすぎると、FBGの入力におけるエネルギの一部のみが送信される。帯域幅はまた、増幅自然放出に起因するシステム内のノイズを低減する追加の利益を提供する光バンドパスフィルタによって制御される。

超音波検出器の感度フィールドは、光音響イメージング用途において重要な役割を果たしている。したがって、検出器の応答は、光音響設定での取り込みの前に特徴づけられることをお勧めします。我々の実験では、π-FBGは、点光源が( 図4)、格子の中心部に近く配置されている場合にのみ(F> 6 MHz)の高周波で良好な感度を提供します。これは、検出器は、比較的非発散磁界感度を有することを示唆している。したがって、WHEnは光音響イメージング実験において使用される、高い超音波検出感度が得られている領域に送達される照明するのに非常に有益である。

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Disclosures

著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。

Acknowledgements

DRはグラントの開始ドイツ研究協会(DFG)研究助成(RA 1分の1848)と欧州研究評議会からの支援を認めるものです。 VNが欧州研究評議会上級研究者賞からの財政支援を承認し、医学賞での連邦教育研究省のイノベーション。

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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