Banda ancha Detector óptico de ultrasonido para aplicaciones de imágenes médicas

Bioengineering

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Summary

Detección óptica de la ecografía no es práctico en muchos escenarios de proyección de imagen, ya que a menudo requiere de condiciones de estabilidad ambiental. Se demuestra una técnica óptica para la detección de los ultrasonidos en ambientes volátiles con niveles de miniaturización y sensibilidad apropiadas para la imagen optoacústica en escenarios restrictivos, por ejemplo, aplicaciones intravasculares.

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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

Los sensores ópticos de ultrasonido son una alternativa prometedora a las técnicas piezoeléctricas, como se ha demostrado recientemente en el campo de la imagen optoacústica. En aplicaciones médicas, una de las principales limitaciones de la tecnología de detección óptica es su susceptibilidad a las condiciones ambientales, por ejemplo, cambios en la presión y la temperatura, lo que puede saturar la detección. Además, el entorno clínico a menudo impone límites estrictos sobre el tamaño y la robustez del sensor. En este trabajo, la combinación de la interferometría de pulso y sensores ópticos basados ​​en fibra se ha demostrado para la detección de los ultrasonidos. Interferometría de pulsos permite un rendimiento robusto del sistema de lectura en la presencia de variaciones rápidas en las condiciones ambientales, mientras que el uso de la tecnología totalmente de fibra óptica conduce a un elemento de detección mecánicamente flexible, compatible con muy exigentes aplicaciones médicas tales como la imagen intravascular. Con el fin de lograr una longitud del sensor corto, unase utiliza la fibra desplazado-pi-fase de rejilla de Bragg, que actúa como un resonador de retención de la luz a través de una longitud efectiva de 350 micras. Para habilitar gran ancho de banda, el sensor se utiliza para la detección sideway de ultrasonido, que es altamente beneficioso en geometrías circulares de imagen como la imagen intravascular. Una configuración de imagen optoacústica se utiliza para determinar la respuesta del sensor para fuentes puntuales acústicas en diferentes posiciones.

Introduction

Detectores de ultrasonido juegan un papel clave en muchas aplicaciones de formación de imágenes. Convencionalmente, el ultrasonido se detecta por transductores piezoeléctricos, que transforman las ondas de presión en señales de tensión 1. En las imágenes optoacústica, el ultrasonido se genera a través de un proceso de expansión térmica al iluminar el objeto con alta potencia de luz modulada 2-6. Aunque transductores piezoeléctricos son el método de elección en aplicaciones optoacústica, su uso a menudo impide la miniaturización principalmente porque los transductores piezoeléctricos miniaturizados a menudo se caracterizan por una baja sensibilidad. Además, dado que los transductores piezoeléctricos son ópticamente opaca, pueden interferir gravemente con suministro de luz al objeto fotografiado, lo que limita las posibilidades de configuraciones de formación de imágenes utilizables. Luz que se retrodispersada desde el objeto hasta el transductor también puede limitar la detección apropiada de ultrasonido y complicar el diseño del sistema de formación de imágenes debido a parasit inducida ópticamenteIC señales en el transductor 7.

Detectores ópticos de ultrasonido han sido reconocidos como una posible alternativa a los transductores piezoeléctricos que ofrece muchos beneficios en los escenarios de proyección de imagen optoacústica 8-12: A menudo son transparentes y pueden ser generalmente miniaturizados sin pérdida de sensibilidad. El principio de funcionamiento de los detectores ópticos es la detección interferométrica de la deformación minutos creado en el medio óptico debido a la presencia de ultrasonidos. A menudo, los resonadores ópticos se utilizan para mejorar la sensibilidad de detección por captura de luz en el medio perturbado para duraciones prolongadas, lo que aumenta el efecto de la deformación en la fase de la señal óptica. En esos casos, los sistemas de detección óptica se basan en variaciones de monitoreo en la longitud de onda de resonancia, que se refieren directamente a la estructura deformaciones en el resonador. Por lo general, se utilizan estrecho ancho de línea de onda continua (CW) técnicas en las que un láser CW está sintonizado a thlongitud de onda de resonancia de correo. Pequeños cambios en la resonancia de longitud de onda cambian la posición relativa de la longitud de onda del láser dentro de la resonancia, causando por lo tanto variaciones en la intensidad de la transmisión / luz láser reflejada, que puede ser controlado fácilmente. Sin embargo, si los cambios de resonancia son demasiado fuertes, por ejemplo, debido a las grandes variaciones en la presión, la temperatura o vibraciones, la resonancia puede cambiar completamente lejos de la longitud de onda del láser, saturando eficazmente el detector 13.

Interferometría de impulsos 14 ofrece una solución para la limitación de la saturación de la señal y permite la detección de ultrasonidos bajo condiciones ambientales volátiles. En contraste a la estrechez linewidth esquemas de CW, la interferometría de impulsos utiliza una fuente de impulsos de banda ancha para iluminar el resonador. En este caso, el resonador actúa como un filtro de paso de banda, la transmisión de sólo aquellas longitudes de onda que corresponden a su frecuencia de resonancia, mientras que la resonancia se desplaza unre detectado mediante la medición de las variaciones de longitud de onda en la señal óptica en la salida del resonador, por ejemplo, utilizando un interferómetro de Mach-Zehnder bloqueado para cuadratura 14,15. Un circuito de rearme automático se utiliza para restaurar de inmediato el punto de trabajo del interferómetro en el caso de que se pierda debido a la variación extrema en las condiciones ambientales. Debido a la relativamente amplio ancho de banda de la fuente, la longitud de onda de resonancia se mantiene dentro de la banda de sistema de iluminación, incluso bajo fuertes perturbaciones, lo que permite el funcionamiento del detector estable incluso bajo condiciones ambientales duras. El uso de una fuente coherente para ser interrogado, pulsos ópticos es decir, facilita la detección de bajo ruido.

El sistema de interferometría impulso correspondiente usado en nuestros experimentos se muestra en la Figura 1. El láser de pulso utilizado para la interrogación produjo 90 pulsos FSEC a una tasa de repetición de 100 MHz con una potencia de salida de 60 mW y la anchura espectral de más de 100nm. El filtro óptico tenía una anchura espectral FWHM de aproximadamente 0,4 nm y se sintoniza a la frecuencia de la resonancia. Tras el filtro, se utilizó un amplificador óptico para compensar la pérdida significativa en el filtrado. Filtrado adicional se aplicó después de la etapa de amplificación para reducir la emisión espontánea amplificada desde el amplificador. El resonador usado en nuestros experimentos es una fibra pi-cambiado de fase rejilla de Bragg (FBG-π) 8, fabricado por Teraxion Inc. En particular, para la aplicación médica de detección de ultrasonidos, π-FBG tienen la ventaja de ser todos los componentes de fibra, y por lo tanto robusto y pequeño. Figura 2 muestra una comparación entre las dimensiones de la fibra óptica utilizada en este trabajo y un 15 MHz de ultrasonido intravascular miniaturizado (IVUS) transductor piezoeléctrico. Algunos enfoques alternativos basados ​​en resonancia de detección, tales como resonadores de micro anillo fabricadas en guías de ondas planares, requieren fibras de acoplamiento en el componente dede entrada y de salida, ya sea que conduce a dispositivos más frágiles o dificultando la miniaturización. Por el contrario, π-FBGs son en fibra de componentes, y no requieren de acoplamiento de fibra adicional. La resonancia en π-FBG es creado por el desplazamiento de fase PI en su centro; la luz está atrapado alrededor del desplazamiento de fase PI sobre la porción de la fibra que es considerablemente más corta que la longitud de la propia rejilla. En nuestros experimentos, el π-FBG tenía una longitud de 4 mm y coeficiente de acoplamiento de κ = 2 mm -1 y su sensibilidad fue distribuida de manera no uniforme a lo largo de su longitud, con la sensibilidad exponencialmente decreciente desde el centro de la rejilla con una tasa de κ . El ancho completo-media-máxima (FWHM) de la distribución de sensibilidad (SD) fue de aproximadamente 350 micras. La anchura de resonancia de la rejilla se determina tanto por su longitud y su coeficiente de acoplamiento de acuerdo con la siguiente ecuación:

Ecuación 1 donde λ es la longitud de onda de resonancia y n eff es el índice de refracción efectivo de la modo guiado en la fibra 8.

Para evaluar si el detector de π-FBG es apropiada para aplicaciones de imagen, su respuesta espacialmente dependiente necesita ser medido sobre una banda de frecuencia amplia. Sin embargo, esta tarea es extremadamente difícil cuando se utilizan técnicas acústicas convencionales. Por lo tanto, empleamos un método para la caracterización optoacústica detector de ultrasonidos 16 en la que una esfera microscópica oscuro embebido en agar transparente sirve como una fuente de punto optoacústica. En nuestro experimento, la esfera microscópica tiene un diámetro de aproximadamente 100 micras y se ilumina con pulsos ópticos de nanosegundos alta potencia con una tasa de repetición de 10 Hz, duración de pulso de aproximadamente 8 nseg, y potencia media de 200 mW. La energía óptica depositado en el SPH microscópicaEres genera señales de ultrasonidos de banda ancha debido al efecto optoacústica. El detector de π-FBG se traduce relativamente a la esfera microscópica para obtener su respuesta acústica espacialmente dependiente. Figura 3 muestra una ilustración del experimento optoacústica. Generalmente, esta técnica se puede emplear para caracterizar diferentes tipos de detectores de ultrasonido.

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Protocol

1. Optoacústica Caracterización del detector de π-FBG

  1. Preparación de una esfera microscópica en suspensión en agar:
    1. Mezclar polvo de agar (1,3% en peso) con agua destilada en un vaso de precipitados de vidrio. Utilice un dispositivo magnético-agitador de placa caliente para calentar la solución cercana a la temperatura de ebullición y se disuelve el agar en polvo hasta que la solución se vuelva clara y libre de burbujas de aire. Alternativamente, la solución de agar puede ser calentado usando un horno de microondas convencional con agitación a cabo manualmente usando un agitador de vidrio. Vierta la solución caliente en un molde de plástico, por ejemplo, la jeringa con la punta cortada.
    2. Rocíe una pequeña cantidad de esferas microscópicas en la solución de agar y esperar hasta que la solución se solidifica completamente. Tome el fantasma de agar sólido del molde empujando el émbolo.
    3. Ver el fantasma bajo un microscopio estereoscópico cortar un pequeño trozo de agar que contiene una sola esfera microscópica.
    4. Repita el paso 1.1.1 y añade to la solución de agar agar la pieza sólida que contiene la esfera microscópica sola.
    5. Después de la solidificación, corte el fantasma de agar con el microscopio de tal manera que la esfera microscópica se encuentra cerca de la superficie del fantasma.
  2. Medición optoacústica
    1. Utilice dos soportes de fibra de ranura en V para mantener la fibra firmemente en ambos lados de la π-FBG, y conectado a su titular a una etapa de ordenador que funciona en tres dimensiones (XYZ), de traducción. Asegúrese de que la fibra se sumerge para permitir la propagación de los ultrasonidos.
    2. Encontrar la localización aproximada del elemento de π-FBG de detección mediante la iluminación de diferentes partes de la fibra con la alta potencia del haz láser de nanosegundos-pulso. La absorción óptica del recubrimiento, sin embargo débil, creará una señal cuando la iluminación se realiza en el π-FBG.
    3. Coloque la esfera microscópica agar embebido directamente debajo del π-FBG. La esfera microscópica debe ser visible a simple vista.
    4. Uso de la etapa de traducción, realice una exploración 2D del π-FBG en el plano paralelo al suelo para encontrar la ubicación en la que la señal de la esfera microscópica es más fuerte y su tiempo de retardo correspondiente es más corto.
    5. Realice últimos ajustes a la iluminación para proporcionar la máxima potencia a la esfera microscópica.
    6. Uso de la etapa de traducción realizar una exploración 3D del π-FBG y registrar la señal para cada posición.
    7. Para obtener la respuesta de frecuencia dependiente espacialmente del detector de ultrasonidos, realizar la transformada de Fourier de la señal de ultrasonido de dominio de tiempo registrada.

2. Estimación de la robustez y la sensibilidad del rendimiento del detector de π-FBG

  1. Utilice dos soportes de fibra de ranura en V para mantener la fibra firmemente en ambos lados de la π-FBG y sumergir el π-FBG.
  2. Coloque un plato oscuro o una varilla de grafito robusta para enfrentar el π-FBG y iluminarlo ingenioh la alta potencia nanosegundo pulsos de rayo láser para crear un campo acústico de fuerte.
  3. Coloca una bomba de agua en el interior del depósito de agua y vuelva a encenderlo para crear variaciones rápidas en las condiciones ambientales.
  4. Para estimar la robustez del sistema, medir la salida con el circuito de bloqueo girado tanto dentro como fuera. Cuando no se realiza ninguna de bloqueo, no es posible detectar con precisión la señal de ultrasonidos.
  5. Encienda la bomba de suministro de agua.
  6. Para estimar el beneficio de la sensibilidad debido a la alta coherencia de la fuente, sustituir el láser de impulsos de banda ancha con una fuente de baja coherencia y repetir la medición acústica. Se espera que una disminución de más de un orden de magnitud en la sensibilidad cuando se utiliza la fuente de baja coherencia.

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Representative Results

Las figuras 4a y 4b muestran, respectivamente, las señales y su correspondiente espectros de la esfera microscópica a una distancia de 1 mm de la fibra para tres desplazamientos del centro de la π-FBG. Los desplazamientos se dan en la dirección z, como se muestra en la Figura 3. Claramente, la sensibilidad del detector óptico a los ultrasonidos de alta frecuencia (f> 6 MHz) es anisotrópico y es mayor cuando el centro de la π-FBG es directamente encima de la esfera microscópica . A pesar de la alta diferencia de impedancia acústica entre la fibra de sílice y agua, no hay resonancias distintas se observan a frecuencias superiores a 6 MHz, lo que lleva a una señal optoacústica agudo bien definido, requerido para aplicaciones de imagen. En general, aunque las frecuencias de resonancia en F <6 MHz pueden ser utilizadas para la detección, su uso para la formación de imágenes requeriría su incorporación en un modelo de reconstrucción basado en el modelo, lo que complica significativamente la imagen falgoritmo ormación 17.

La Figura 5 muestra una comparación entre las señales de ultrasonido se mide usando una fuente de impulsos y una fuente de baja coherencia. Debido a la baja sensibilidad obtenida por la fuente de baja coherencia, se utilizó una fuente optoacústica con una magnitud mayor en comparación con la utilizada en el experimento de las figuras 3-4. Es decir, la fuente optoacústica era una varilla de grafito con un diámetro de 0,7 mm, colocado a una distancia aproximada de 1,5 mm de la fibra y sistema de iluminación con el mismo láser utilizado en el experimento de las figuras 3-4. Se observó una reducción significativa en la sensibilidad de un factor de 18 para las señales detectadas con la fuente de baja coherencia. La menor sensibilidad que se obtiene en el caso de la fuente de banda ancha incoherente es inherente como el espectro de banda ancha de la fuente se genera por un proceso aleatorio. En contraste, en la fuente de impulsos coherente, la resp de banda anchaOnse es el resultado de un proceso determinista.

Figura 1
Figura 1. La configuración óptica utilizada para la detección de los ultrasonidos. El elemento sensor es una fibra desplazado-pi-fase de Bragg, y el sistema de lectura se basa en la interferometría pulso. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 2
Figura 2. Una comparación de tamaño entre una sonda de ultrasonido intravascular comercial con una frecuencia central de 15 MHz y la Opticaelemento sensor l-fibra a base utilizada en este trabajo. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 3
Figura 3. Una ilustración de la configuración optoacústica utilizado para la medición de la respuesta acústica del detector óptico. Una esfera microscópica oscura iluminada con pulsos de nanosegundos de alta potencia constituye una fuente puntual acústica, que se traduce en tres dimensiones para obtener una respuesta acústica espacialmente dependiente del detector. Haz clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 4 Figura 4. Las señales (A) y su correspondiente espectros (b) detectado de la esfera microscópica (tal como se representa en la Figura 3) a una distancia de 1 mm de la fibra para tres desplazamientos del centro de la π-FBG. Los espectros se comparan con el espectro de una fuente esférica ideal, con un diámetro de 100 micras. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

La figura 5
Figura 5. Una comparación entre las señales de ultrasonido obtenido utilizando una fuente de impulsos y colow-coherencia fuente. se observó una reducción significativa en la sensibilidad de las señales detectadas con la fuente de baja coherencia. Haz clic aquí para ver la imagen más grande .

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Discussion

En conclusión, se introduce un nuevo método óptico para la detección de ultrasonidos, que se basa en una combinación de una interferometría π-FBG y el pulso. La técnica es especialmente adecuado para aplicaciones de imagen optoacústica debido a la transparencia del elemento de detección, que permite patrones de iluminación objeto casi arbitrarios. En contraste, los detectores convencionales de ultrasonido piezoeléctricos basados ​​son opacos y por lo tanto bloquean algunos de los caminos ópticos al objeto fotografiado, dando lugar a configuraciones de imagen voluminosos. El detector óptico desarrollado por lo tanto puede facilitar la miniaturización de la tecnología optoacústica y su traducción clínica.

Las propiedades físicas y mecánicas del elemento de detección dependen de la fibra utilizada. Fibras monomodo comercialmente disponibles son relativamente duradero y pequeña. Por ejemplo, en fibras de sílice, como el que se utiliza en este documento, los diámetros de 250 micras o más pequeño y curva rotura radios de menos de 1 cm son Standard. Las fibras de plástico también pueden ser utilizados y pueden tener mejores propiedades mecánicas; Sin embargo, la fabricación de FBGs de alta calidad se encuentra actualmente disponible en el mercado sólo en fibras de sílice.

El diseño de la FBG desplazado-pi-fase determina la sensibilidad y la respuesta acústica espacialmente dependiente del detector óptico. Generalmente, se desea que la resonancia sea tan estrecha como sea posible para lograr la máxima sensibilidad. Sin embargo, la anchura de la resonancia medida en Hertz, debe ser mayor que el ancho de banda acústica deseada para el detector para permitir su correcto funcionamiento. Además, una alta calidad de π-FBG es actualmente un producto hecho a medida, cuya fabricación requiere de las capacidades de fabricación de alta precisión que ofrece sólo unas pocas empresas.

Interferometría de pulso se utiliza para la lectura de la señal desde el elemento de detección óptico y permite un rendimiento robusto en condiciones ambientales volátiles. El ancho de banda de la fuente de determinares el compromiso entre la robustez y rendimiento: Si se elige el ancho de banda a ser demasiado pequeño, cubrirá la resonancia sólo para perturbaciones débiles. Si el ancho de banda es demasiado grande, se transmitirá sólo una fracción de la energía en la entrada de la FBG. El ancho de banda es controlada por filtros de paso de banda ópticos, que también proporcionan un beneficio adicional de reducir el ruido en el sistema debido a la emisión espontánea amplificada.

El campo de la sensibilidad del detector de ultrasonidos juega un papel importante en aplicaciones de imagen optoacústica. Por lo tanto, se recomienda que la respuesta del detector se caracteriza antes de su incorporación en una instalación optoacústica. En nuestros experimentos, el π-FBG proporciona buena sensibilidad a altas frecuencias (f> 6 MHz) sólo cuando la fuente puntual está situada cerca del centro de la rejilla (Figura 4). Esto sugiere que el detector tiene un campo de sensibilidad relativamente no-divergente. Por lo tanto, cuann utilizados en los experimentos de imagen optoacústica, es altamente beneficioso para la iluminación para ser entregado a las regiones en las que se obtiene alta sensibilidad de detección de ultrasonidos.

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Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Acknowledgements

DR reconoce el apoyo de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) Beca de Investigación (RA 1848/1) y el Consejo Europeo de Investigación Starting Grant. VN reconoce el apoyo financiero del Premio al Investigador Avanzada Consejo Europeo de Investigación e Innovación de la BMBF en el Premio de Medicina.

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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