Wideband Detector óptico de ultra-som para aplicações Medical Imaging

Bioengineering

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Summary

Detecção óptica de ultra-som é impraticável em muitos cenários de imagem, porque muitas vezes requer condições ambientais estáveis. Nós demonstramos uma técnica óptica para detecção de ultra-som em ambientes voláteis, com os níveis de miniaturização e sensibilidade adequada para a imagem latente optoacoustic em cenários restritivos, por exemplo, aplicações 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

Os sensores ópticos de ultra-sons são uma alternativa promissora às técnicas piezoeléctricos, como foi recentemente demonstrado no campo da imagiologia optoacoustic. Em aplicações médicas, uma das principais limitações da tecnologia de detecção óptica é a sua susceptibilidade a condições ambientais, por exemplo, mudanças de pressão e temperatura, o que pode saturar a detecção. Além disso, o ambiente clínico, muitas vezes impõe limites rigorosos sobre o tamanho ea robustez do sensor. Neste trabalho, a combinação de interferometria de pulso e de detecção óptica à base de fibras é demonstrada para a detecção de ultra-sons. Interferometria de impulsos permite que o desempenho robusto do sistema de leitura, na presença de variações rápidas nas condições ambientais, ao passo que o uso de tecnologia de tudo fibra leva a um elemento sensor flexível mecanicamente compatível com altamente exigentes aplicações médicas, tais como a imagem intravascular. A fim de conseguir um curto comprimento do sensor, umafibra de fase pi deslocado Bragg é utilizado, o qual actua como um ressonador prendendo luz ao longo de um comprimento útil de 350 m. Para permitir que a largura de banda alta, o sensor é utilizado para a detecção de costado de ultra-som, que é altamente benéfica em geometrias de imagiologia, tais como imagiologia circunferenciais intravascular. Uma estrutura de imagem optoacoustic é utilizado para determinar a resposta do sensor às fontes pontuais acústicos em diferentes posições.

Introduction

Detectores de ultra-sons desempenham um papel chave em muitas aplicações de imagiologia. Convencionalmente, o ultra-som é detectada por transdutores piezelétricos, que transformam ondas de pressão em sinais de tensão 1. Na imagem optoacoustic, ultra-som é gerado através de um processo de expansão térmica, iluminando o objeto com alta potência de luz modulada 2-6. Apesar de transdutores piezoelétricos são o método de escolha em aplicações optoacoustic, seu uso muitas vezes dificulta a miniaturização principalmente porque transdutores piezoelétricos miniaturizados são frequentemente caracterizados por baixa sensibilidade. Além disso, como transdutores piezoelétricos são opticamente opaco, eles podem interferir seriamente com a entrega de luz para o objeto fotografado, limita as possibilidades de configurações de imagem utilizáveis. Luz que é back-dispersa do objeto para o transdutor pode também limitar a detecção adequada de ultra-som e complicar o projeto do sistema de imagem devido a parasit induzido opticamenteic sinaliza no transdutor 7.

Detectores ópticos de ultra-som foram reconhecidos como uma possível alternativa para transdutores piezoelétricos que oferece muitos benefícios em cenários de imagem optoacoustic 8-12: Muitas vezes são transparentes e podem ser miniaturizados geralmente sem perda de sensibilidade. O princípio de funcionamento dos detectores ópticos é a detecção interferométrico da deformação minuto criada no suporte óptico devido à presença de ultra-sons. Muitas vezes, os ressoadores ópticos são utilizados para aumentar a sensibilidade de detecção por captura de luz no meio perturbado por períodos prolongados, aumentando assim o efeito de deformação sobre a fase do sinal óptico. Nesses casos, esquemas de detecção ópticos são baseados em variações de monitoramento no comprimento de onda de ressonância, que se relacionam diretamente com estruturar deformações no ressonador. Mais comumente, onda contínua estreita largura de linha (CW) técnicas são usadas em que um laser CW está sintonizado com the comprimento de onda de ressonância. Pequenas mudanças no comprimento de onda de ressonância alterar a posição relativa do comprimento de onda do laser de dentro da ressonância, causando, assim, as variações na intensidade da transmissão / reflectida a luz do laser, o qual pode ser facilmente monitorizado. No entanto, se as mudanças de ressonância são muito fortes, por exemplo, devido a grandes variações de pressão, temperatura, ou vibrações, a ressonância pode mudar completamente longe de comprimento de onda do laser, efetivamente saturar o detector 13.

Pulso de interferometria 14 oferece uma solução para a limitação da saturação de sinal e permite a detecção de ultra-sons sob condições ambientais voláteis. Em contraste com a estreitar-linewidth esquemas CW, pulso interferometria emprega uma fonte de pulso de banda larga para iluminar o ressonador. Neste caso, o ressoador funciona como um filtro de banda de passagem, transmitindo apenas os comprimentos de onda que correspondem à sua frequência de ressonância, ao passo que a ressonância desloca umre detectada através da medição das variações de comprimento de onda do sinal óptico de saída do ressonador, por exemplo, utilizando um interferómetro Mach-Zehnder bloqueado para quadratura 14,15. Um circuito de reset automático é usado para restaurar imediatamente ponto de trabalho do interferômetro no caso de perda devido à variação extrema em condições ambientais. Devido à largura de banda relativamente larga da fonte, o comprimento de onda de ressonância se mantém dentro da faixa iluminada, mesmo sob fortes perturbações, permitindo a operação do detector estável, mesmo em condições ambientais desfavoráveis. O uso de uma fonte coerente para interrogatório, pulsos ópticos ou seja, facilita a detecção de baixo ruído.

O sistema de interferometria de impulsos correspondente usada nas nossas experiências é mostrado na Figura 1. O laser de impulsos usado para interrogação produziu 90 pulsos FSEC uma taxa de repetição de 100 MHz com a potência de saída de 60 mW e largura espectral de mais de 100nm. O filtro óptico tinha uma largura espectral FWHM de aproximadamente 0,4 nm e foi sintonizado na freqüência da ressonância. Seguindo o filtro, um amplificador óptico foi utilizado para compensar a perda significativa na filtragem. Filtragem adicional foi aplicado após a fase de amplificação para reduzir a emissão espontânea amplificada a partir do amplificador. O ressonador utilizado em nossos experimentos é um deslocou-fase pi rede de Bragg (π-FBG) 8, fabricado pela Teraxion Inc. Particularmente para a aplicação médica de sensoriamento ultra-som, π-FBGs têm a vantagem de ser de todos os componentes de fibra, e, portanto, robusto e pequenas. Figura 2 mostra uma comparação entre as dimensões da fibra óptica utilizada neste trabalho e uma de 15 MHz de ultra-som intravascular miniaturizado (IVUS) transdutor piezoeléctrico. Algumas abordagens de detecção baseados em ressonância alternativos, tais como ressonadores micro-anel fabricado em guias de ondas planares, requerem acoplamento de fibras no componente deentrada e saída, ou levando a dispositivos mais frágeis ou dificultando a miniaturização. Em contraste, π-GBFs são em fibra de componentes, e não necessitam de acoplamento de fibra adicional. A ressonância em π-GBFs é criado pela mudança de fase pi no seu centro; luz é preso em torno do desvio de fase pi sobre a porção da fibra que é consideravelmente mais curto do que o comprimento da própria grade. Nas nossas experiências, o π-FBG tinha um comprimento de 4 mm e um coeficiente de acoplamento de κ igual a 2 mm -1 e sua sensibilidade foi distribuída de maneira não uniforme ao longo do seu comprimento, com a sensibilidade exponencialmente decrescente a partir do centro da grelha com uma taxa de κ . A largura total a metade do máximo (FWHM) de distribuição de sensibilidade (DP) era de aproximadamente 350 um. A largura de ressonância da grade é determinada por ambos o seu comprimento e o seu coeficiente de acoplamento de acordo com a seguinte equação:

Equação 1 onde λ é o comprimento de onda de ressonância e n ef é o índice de refracção efectivo do modo guiado na fibra 8.

Para avaliar se o detector de π-FBG é apropriada para aplicações de imagem, a sua resposta espacialmente dependente precisa ser medido ao longo de uma faixa de freqüência de largura. No entanto, esta tarefa é extremamente difícil quando são utilizadas técnicas acústicas convencionais. Nós, portanto, empregar um método optoacoustic para detector de ultra-som caracterização 16 em que uma esfera microscópica escura embutido no agar transparente serve como uma fonte pontual optoacoustic. Na nossa experiência, a esfera microscópica tem um diâmetro de aproximadamente 100 mm e é iluminado com alto poder de nanossegundos impulsos ópticos com uma taxa de repetição de 10 Hz, a duração do pulso de cerca de 8 ns, e potência média de 200 mW. A energia óptica depositado na esf microscópicaeres gera sinais de ultra-sons de banda larga devido ao efeito optoacoustic. O detector de π-FBG é traduzido relativamente à esfera microscópica para obter a sua resposta acústica espacialmente dependente. Figura 3 mostra uma ilustração da experiência optoacoustic. Geralmente, esta técnica pode ser utilizada para caracterizar diferentes tipos de detectores de ultra-sons.

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Protocol

1. Optoacoustic Caracterização do detector π-FBG

  1. Preparação de uma esfera microscópica suspensas em agar:
    1. Mistura em pó de ágar (1,3% em peso) com água destilada num copo de vidro. Use uma placa quente dispositivo magnético-agitador para aquecer a solução até à temperatura de ebulição estreita e dissolve-se o pó de agar, até a solução se tornar límpida e livre de bolhas de ar. Alternativamente, a solução de agar podem ser aquecido utilizando um forno de microondas convencional, com agitação realizada manualmente, utilizando uma vareta de vidro. Despeje a solução quente em um molde de plástico, por exemplo, seringa com a ponta cortada.
    2. Polvilhe uma pequena quantidade de esferas microscópicas sobre a solução de agar e esperar até que a solução se solidifica totalmente. Pegue o fantasma agar sólido para fora do molde, empurrando o êmbolo.
    3. Ver o fantasma sob um microscópio estereoscópico cortar um pequeno pedaço de agar, que contém uma única esfera microscópica.
    4. Repita o passo 1.1.1 e adicionar to da solução agar agar a peça sólida contendo o único esfera microscópica.
    5. Após a solidificação, corte o fantasma agar sob o microscópio de tal forma que a esfera microscópica está localizado próximo à superfície do phantom.
  2. Medição Optoacoustic
    1. Utilize dois suportes de fibra de v-groove para manter a fibra firmemente em ambos os lados do π-FBG, e conectado ao seu titular um dimensional (XYZ) Tradução terceira fase operado por computador. Assegure-se que a fibra está submerso para permitir a propagação dos ultra-sons.
    2. Localizar a posição aproximada do elemento sensor de π-FBG iluminando diferentes partes da fibra, com a maior potência nanossegundos impulso do feixe de laser. A absorção óptica do revestimento, no entanto fraca, irá criar um sinal, quando a iluminação é realizada na π-FBG.
    3. Coloque a esfera microscópica incorporado-agar diretamente abaixo do π-FBG. A esfera microscópica deve ser visível a olho nu.
    4. Usando a fase de tradução, execute uma varredura 2D do π-FBG no plano paralelo ao solo para encontrar o local onde o sinal da esfera microscópica é a mais forte e seu intervalo de tempo correspondente é mais curto.
    5. Realize últimos ajustes para a iluminação para entregar potência máxima para a esfera microscópica.
    6. Usando a fase de tradução realizar uma varredura em 3D do π-FBG e gravar o sinal para cada posição.
    7. Para obter a resposta de freqüência espacialmente dependente do detector de ultra-som, realizar a transformada de Fourier do sinal de ultra-som no domínio do tempo gravado.

2. Estimativa de Robustez e Sensibilidade de Desempenho do π-FBG Detector

  1. Usar dois suportes de fibra de ranhura em V para manter a fibra firmemente em ambos os lados do π-FBG e submergir o π-FBG.
  2. Colocar uma placa escura ou um bastão de grafite resistente para enfrentar o π-FBG e iluminá-lo sagacidadeh o de alta potência nanosegundo-pulse feixe de laser para criar um campo acústico forte.
  3. Coloque uma bomba de água no interior do tanque de água e ligá-lo, a fim de criar variações rápidas nas condições ambientais.
  4. Para estimar a robustez do sistema, medir a saída com o circuito de bloqueio virou tanto dentro quanto fora. Quando nenhum de bloqueio é realizada, não é possível detectar com precisão o sinal de ultra-som.
  5. Ligue a bomba de água fora.
  6. Para estimar o benefício da sensibilidade devido ao elevado de coerência da fonte, substituir o laser de impulsos de banda larga com uma fonte de baixa coerência e repetir a medição acústica. Uma redução de mais de uma ordem de magnitude na sensibilidade é esperado quando a fonte de baixa coerência é usado.

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Representative Results

As Figuras 4a e 4b mostram, respectivamente, os sinais e os seus espectros correspondente da esfera microscópica, a uma distância de 1 mm a partir da fibra para três deslocamentos do centro do π-FBG. Os deslocamentos são indicados na direcção z, conforme ilustrado na Figura 3. Claramente, a sensibilidade do detector óptico de ultra-som de alta frequência (f> 6 MHz) é anisotrópica e é mais elevado quando o centro do π-FBG é directamente acima da esfera microscópica . Apesar da elevada diferença de impedância acústica entre a fibra de sílica e água, sem ressonâncias distintas são observadas com frequências acima de 6 MHz, que conduz a um sinal de optoacoustic afiado bem definida, necessária para aplicações de imagiologia. Geralmente, embora as frequências de ressonância em f <6 MHz pode ser utilizada para a detecção, a sua utilização para imagens exigiria a sua incorporação num modelo de reconstrução com base num modelo, o que complica significativamente a imagem formação algoritmo 17.

A Figura 5 mostra uma comparação entre os sinais de ultra-sons medida utilizando uma fonte de impulso e uma fonte de baixa coerência. Devido à baixa sensibilidade obtida pela fonte de baixa coerência, uma fonte optoacoustic com uma magnitude superior foi utilizada em comparação com a utilizada na experiência das Figuras 3-4. Ou seja, a fonte optoacoustic foi uma haste de grafite com um diâmetro de 0,7 mm, posicionado a uma distância aproximada de 1,5 mm a partir da fibra e iluminado com o mesmo laser utilizado na experiência das Figuras 3-4. Uma redução significativa na sensibilidade de um factor de 18, é observada para os sinais detectados com a fonte de baixa coerência. A sensibilidade mais baixa que se obtém no caso de a fonte de banda larga incoerente é inerente, como o espectro de banda larga da fonte é gerada por um processo aleatório. Em contraste, na fonte de pulso coerente, resp widebandonse é um resultado de um processo determinista.

Figura 1
Figura 1. A configuração óptico utilizado para detecção de ultra-som. O elemento sensor é uma fibra fase pi-deslocada Bragg, eo sistema lê-out é baseado no pulso interferometria. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 2
Figura 2. Uma comparação entre o tamanho de uma sonda de ultra-som intravascular comercial com uma frequência central de 15 MHz e a ópticaelemento sensor com base l de fibra utilizada neste trabalho. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 3
Figura 3. Uma ilustração da configuração optoacoustic utilizado para medir a resposta acústica do detector óptico. Uma esfera microscópica escuro iluminado com impulsos de alta potência nanossegundos constitui uma fonte de ponto de acústica, que é traduzido em três dimensões para obter uma resposta acústica espacialmente dependente do detector. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 4 Figura 4. Os sinais (A) e os seus espectros correspondente (b) detectados da esfera microscópica (conforme ilustrado na Figura 3), a uma distância de 1 mm a partir da fibra para três deslocamentos do centro do π-FBG. Os espectros são comparados com o espectro de uma fonte ideal esférica com um diâmetro de 100 mm. clique aqui para ampliar .

Figura 5
Figura 5. Uma comparação entre os sinais de ultra-som obtida utilizando uma fonte de impulso e aiow-coerência fonte. Uma redução significativa na sensibilidade é observada para os sinais detectados com a fonte de baixa coerência. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

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Discussion

Em conclusão, um novo método para a detecção óptica de ultra-som é introduzida, que se baseia numa combinação de um π-FBG e pulso interferometria. A técnica é especialmente adequado para aplicações de imagem optoacoustic devido à transparência do elemento sensor, que permite padrões de iluminação objeto quase arbitrárias. Em contraste, detectores de ultra-som piezoelétrico com base padrão são opacas e, assim, bloquear alguns dos caminhos ópticos ao objeto fotografado, levando a configurações de imagem volumosos. O detector óptico desenvolvido pode, assim, facilitar a miniaturização da tecnologia optoacoustic ea sua tradução clínica.

As propriedades físicas e mecânicas do elemento de detecção dependem da fibra utilizada. Fibras monomodo comercialmente disponíveis são relativamente duráveis ​​e de pequeno porte. Por exemplo, em fibras de sílica, tal como o utilizado no presente documento, os diâmetros de 250 um ou menor e quebra raios de curvatura inferior a 1 cm são standard. Fibras de plástico também pode ser usado e pode ter melhores propriedades mecânicas; No entanto, a fabricação de GBFs alta qualidade é actualmente disponível comercialmente apenas em fibras de sílica.

O desenho da FBG de fase pi deslocado determina a sensibilidade e a resposta acústica espacialmente dependente do detector óptico. Geralmente, é desejável que a ressonância ser tão estreita quanto possível para atingir o máximo de sensibilidade. No entanto, a largura da ressonância medida em Hertz, deve ser maior do que a largura de banda acústica desejada para o detector, para permitir o seu funcionamento adequado. Além disso, uma alta qualidade π-FBG é atualmente um produto feito sob medida, cuja fabricação exige capacidades de fabricação de alta precisão oferecidos por poucas empresas.

Interferometria de impulsos é utilizado para a leitura do sinal do elemento sensor óptico e permite um desempenho robusto sob condições ambientais voláteis. A largura de banda da fonte de determinaré o equilíbrio entre robustez e desempenho: Se a largura de banda é escolhida para ser muito pequeno, ele irá cobrir a ressonância apenas para perturbações fracas. Se a largura de banda é muito grande, apenas uma fracção da energia na entrada do FBG vai ser transmitida. A largura de banda é controlado por filtros passa-banda ópticos, que também proporcionam um benefício adicional de redução de ruído no sistema devido à emissão espontânea amplificada.

O campo de sensibilidade do detector de ultra-sons tem um papel importante em aplicações de imagiologia optoacoustic. Portanto, recomenda-se que a resposta do detector ser caracterizado antes da sua incorporação em uma instalação optoacoustic. Em nossos experimentos, o π-FBG oferece boa sensibilidade em altas freqüências (f> 6 MHz) somente quando a fonte de ponto está posicionado perto do centro da grade (Figura 4). Isto sugere que o detector tem uma área de sensibilidade relativamente não-divergente. Portanto, when utilizado em experiências de imagiologia optoacoustic, que é altamente benéfico para a iluminação a ser entregue para as regiões em que a sensibilidade de detecção de ultra-sons de alta é obtida.

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Disclosures

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Acknowledgements

DR reconhece o apoio da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) Research Grant (RA 1848/1) e do Conselho Europeu de Investigação Começando Grant. VN reconhece o apoio financeiro da avançada Investigator Award Conselho Europeu de Investigação e Inovação do BMBF em Medicina Award.

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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