Wideband détecteur optique des ultrasons pour les applications d'imagerie médicale

Bioengineering

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Summary

La détection optique de l'échographie n'est pas pratique dans de nombreux scénarios d'imagerie car elle nécessite souvent des conditions environnementales stables. Nous démontrons une technique optique pour l'échographie de détection dans les environnements volatils avec la miniaturisation et de la sensibilité des niveaux appropriés pour l'imagerie acousto-optique dans les scénarios restrictives, par exemple des applications intravasculaires.

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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

Les capteurs optiques d'ultrasons sont une alternative prometteuse aux techniques piézoélectriques, comme cela a été démontré récemment dans le domaine de l'imagerie acousto-optique. Dans les applications médicales, l'une des principales limitations de la technologie de détection optique est sa sensibilité aux conditions environnementales, par exemple les changements de pression et de température, ce qui peut saturer la détection. En outre, l'environnement clinique impose souvent des limites strictes sur la taille et la robustesse de la détection. Dans ce travail, la combinaison de l'interférométrie à impulsion et la détection optique à base de fibres est mise en évidence pour la détection d'ultrasons. Pulse interférométrie permet de bonnes performances du système de lecture en présence de variations rapides dans les conditions de l'environnement, alors que l'utilisation de la technologie tout en fibre aboutit à un élément de détection mécaniquement flexible compatible avec des applications médicales très exigeantes telles que l'imagerie intravasculaire. Afin d'atteindre une longueur de capteur court, unpi-fibre déphasé réseau de Bragg est utilisé, qui joue le rôle d'un résonateur de piégeage de la lumière sur une longueur effective de 350 um. Pour permettre une grande largeur de bande, le capteur est utilisé pour la détection d'ultrasons latéralement, ce qui est très avantageux dans des géométries d'imagerie telles que l'imagerie circonférentielles intravasculaire. Une installation d'imagerie optoacoustique est utilisé pour déterminer la réponse du capteur pour des sources ponctuelles acoustiques à différentes positions.

Introduction

Détecteurs à ultrasons jouent un rôle clé dans de nombreuses applications d'imagerie. De manière classique, les ultrasons est détectée par des transducteurs piézo-électriques, qui transforment les ondes de pression en signaux de tension 1. Dans l'imagerie acousto-optique, l'échographie est générée par un processus de dilatation thermique en éclairant l'objet avec de haute puissance lumière modulée 2-6. Bien transducteurs piézoélectriques sont la méthode de choix pour les applications opto-acoustique, leur utilisation empêche souvent miniaturisation principalement parce que les transducteurs piézoélectriques miniaturisés sont souvent caractérisés par une faible sensibilité. En outre, depuis transducteurs piézoélectriques sont optiquement opaque, ils peuvent sérieusement interférer avec la livraison de lumière à l'objet imagé, limite les possibilités pour les configurations d'imagerie utilisables. La lumière qui est rétrodiffusée de l'objet à la sonde peut aussi limiter la détection correcte de l'échographie et de compliquer la conception du système d'imagerie en raison de parasitémie optiquement induiteic signale dans le transducteur 7.

Les détecteurs optiques de l'échographie ont été reconnus comme une alternative possible à transducteurs piézoélectriques qui offre de nombreux avantages dans les scénarios d'imagerie acousto-optique 8-12: Ils sont souvent transparents et peuvent généralement être miniaturisés sans perte de sensibilité. Le principe de fonctionnement des détecteurs optiques est la détection interférométrique de la déformation de la minute créé dans le milieu optique du fait de la présence d'ultrasons. Souvent, les résonateurs optiques sont utilisés pour améliorer la sensibilité de détection en piégeant la lumière dans le milieu perturbé pendant des durées prolongées, ce qui augmente l'effet de la déformation de la phase du signal optique. Dans ces cas, les systèmes de détection optique sont basées sur des variations de surveillance dans la longueur d'onde de résonance, qui se rapportent directement à la structure des déformations dans le résonateur. Le plus souvent, la largeur de raie étroite onde continue (CW) sont utilisées dans lequel un laser CW est accordée à l'ee résonance longueur d'onde. De petites variations de la longueur d'onde de résonance modifier la position relative de la longueur d'onde du laser à l'intérieur de la résonance, ce qui provoque des variations dans l'intensité de la lumière transmise / réfléchie laser, qui peut être facilement contrôlé. Toutefois, si les changements de résonance sont trop fortes, notamment en raison de grandes variations dans la pression, la température, aux vibrations, à la résonance peut passer complètement à l'écart de la longueur d'onde du laser, saturant efficacement le détecteur 13.

Pulse interférométrie 14 propose une solution à la limitation de la saturation du signal et permet la détection d'ultrasons dans des conditions ambiantes volatiles. En revanche pour réduire la largeur de raie des systèmes CW-, impulsion interférométrie emploie une source d'impulsions à large bande pour illuminer le résonateur. Dans ce cas, le résonateur agit en tant que filtre passe-bande, en transmettant uniquement les longueurs d'onde qui correspondent à sa fréquence de résonance, tandis que la résonance se déplace unre détectée en mesurant les variations de longueur d'onde dans le signal optique à la sortie du résonateur, par exemple en utilisant un interféromètre de Mach-Zehnder à quadrature 14,15 verrouillée. Un circuit de réinitialisation automatique est utilisé pour restaurer immédiatement le point de fonctionnement de l'interféromètre dans le cas de perte due à la variation extrême dans des conditions environnementales. En raison de la largeur de bande relativement large de la source, la longueur d'onde de résonance reste dans la bande éclairée, même sous de fortes perturbations, ce qui permet le fonctionnement du détecteur stable même dans des conditions ambiantes extrêmes. L'utilisation d'une source cohérente pour interrogatoire, c'est à dire des impulsions optiques, facilite la détection à faible bruit.

Le système d'interférométrie à impulsion correspondant utilisé dans nos expériences est représentée sur la figure 1. Laser à impulsions utilisée pour produire des 90 impulsions interrogation FSEC à une fréquence de répétition de 100 MHz avec une puissance de sortie de 60 mW et la largeur spectrale de plus de 100nm. Le filtre optique a une largeur spectrale à mi-hauteur d'environ 0,4 nm et est accordé sur la fréquence de la résonance. A la suite du filtre, un amplificateur optique a été utilisé pour compenser la perte significative de la filtration. Filtrage supplémentaire est appliqué après l'étage d'amplification afin de réduire l'émission spontanée amplifiée de l'amplificateur. Le résonateur utilisé dans nos expériences est une pi déphasée Bragg sur fibre (FBG-π) 8, fabriqué par Teraxion Inc. particulier pour l'application médicale de l'échographie de détection, π-FBG ont l'avantage d'être des composants tout-fibre, et donc robuste et faible. figure 2 montre une comparaison entre les dimensions de la fibre optique utilisée dans ce travail, et à 15 MHz ultrasonore miniaturisée intravasculaire (IVUS) du transducteur piézo-électrique. Certaines approches de détection basés sur la résonance-alternatifs, tels que résonateurs micro-anneau fabriqués dans des guides d'ondes planaires, exigent fibres de couplage à la composante deentrée et de sortie, soit conduisant à des dispositifs plus fragiles ou entraver la miniaturisation. En revanche, les π-FBG sont en fibre de composants, et ne nécessitent pas de couplage de fibre supplémentaire. La résonance en π-FBG est créée par le décalage de phase de pi en leur centre; la lumière est piégée dans le décalage de phase de pi plus partie de la fibre qui est considérablement plus courte que la longueur de la grille elle-même. Dans nos expériences, le π-FBG avait une longueur de 4 mm et de coefficient de couplage de κ = 2 mm -1 et sa sensibilité a été distribué de manière non uniforme sur sa longueur, avec la sensibilité en diminuant de façon exponentielle à partir du centre de la grille avec un taux de κ . La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de la distribution de sensibilité (SD) est d'environ 350 um. La largeur de résonance du réseau de diffraction est déterminée à la fois par sa longueur et son coefficient de couplage en fonction de l'équation suivante:

Equation 1 où λ est la longueur d'onde de résonance et n eff est l'indice de réfraction effectif du mode guidé dans la fibre 8.

Pour évaluer si le détecteur π-FBG est approprié pour les applications d'imagerie, sa réponse dépendance spatiale doit être mesurée sur une large bande de fréquences. Cependant, cette tâche est extrêmement difficile lorsque les techniques acoustiques classiques sont utilisés. Nous utilisons donc une méthode acousto-optique pour détecteur de caractérisation ultrasonore 16, dans lequel une sphère microscopique sombre incorporé dans de la gélose transparent sert de source ponctuelle acousto-optique. Dans notre expérience, la sphère microscopique a un diamètre d'environ 100 um et est éclairé par des impulsions optiques de forte puissance de nanosecondes avec un taux de répétition de 10 Hz, durée d'impulsion d'environ 8 ns, et une puissance moyenne de 200 mW. L'énergie optique déposé dans la sph microscopiqueeres génère des signaux ultrasonores à large bande en raison de l'effet acousto-optique. Le détecteur π-FBG est traduite par rapport à la sphère microscopique d'obtenir la réponse acoustique à dépendance spatiale. Figure 3 montre une illustration de l'expérience optoacoustique. En général, cette technique peut être utilisée pour caractériser les différents types de détecteurs d'ultrasons.

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Protocol

1. Optoacoustique Caractérisation du détecteur de π-FBG

  1. Préparation d'une sphère microscopique en suspension dans de la gélose:
    1. Mélanger la poudre d'agar (1,3% en poids) avec de l'eau distillée dans un bêcher en verre. Utilisez un dispositif magnétique d'agitation plaque chaude pour chauffer la solution proche de la température d'ébullition et dissoudre la poudre d'agar jusqu'à ce que la solution devienne claire et sans bulles d'air. En variante, la solution d'agar peut être chauffé à l'aide d'un four micro-ondes classique, sous l'agitation effectuée manuellement à l'aide d'un agitateur de verre. Verser la solution chaude dans un moule en plastique, par exemple seringue avec sa pointe découpée.
    2. Saupoudrer une petite quantité de sphères microscopiques sur la solution d'agar et d'attendre jusqu'à ce que la solution se solidifie complètement. Prendre le fantôme d'agar solide hors du moule en poussant le piston.
    3. Voir le fantôme sous un microscope stéréoscopique couper un petit morceau de gélose qui contient une seule sphère microscopique.
    4. Répétez l'étape 1.1.1 et ajouter to la solution d'agar agar la pièce solide contenant la sphère microscopique unique.
    5. Après solidification, couper le fantôme d'agar sous le microscope de telle sorte que la sphère microscopique est situé à proximité de la surface de la fantôme.
  2. Mesure opto-acoustique
    1. Utilisez deux supports de fibre v-gorge à maintenir la fibre bien sur les deux côtés de la π-FBG, et relié la porte à une dimension (XYZ) Traduction troisième phase commandée par ordinateur. Faire en sorte que la fibre est immergée afin de permettre la propagation des ultrasons.
    2. Trouver l'emplacement approximatif de l'élément π-FBG détection en éclairant les différentes parties de la fibre à la nanoseconde impulsions laser de haute puissance. L'absorption optique du revêtement, si faible, va créer un signal lorsque l'éclairage est effectuée sur le π-FBG.
    3. Placez la sphère microscopique agar-incorporé directement sous le π-FBG. La sphère microscopique doit être visible à l'œil nu.
    4. Utilisation de la platine de translation, effectuer un balayage 2D du π-FBG dans le plan parallèle au sol pour trouver l'emplacement où le signal provenant du domaine microscopique est la plus forte et la temporisation correspondante est la plus courte.
    5. Effectuer derniers réglages à l'éclairage pour délivrer une puissance maximale de la sphère microscopique.
    6. Utilisation de la platine de translation effectuer une analyse 3D du π-FBG et enregistrer le signal pour chaque position.
    7. Pour obtenir la réponse en fréquence dans l'espace dépendant du détecteur à ultrasons, effectuer la transformée de Fourier sur le signal ultrasonore dans le domaine temporel enregistré.

2. Estimation de la robustesse et de la sensibilité de la performance du détecteur π-FBG

  1. Utilisez deux supports de fibre v-gorge à maintenir la fibre bien sur les deux côtés de la π-FBG et plonger le π-FBG.
  2. Placez une plaque sombre ou une tige de graphite robuste pour faire face à la π-FBG et éclairer l'esprith la haute puissance nanoseconde impulsion faisceau laser pour créer un champ acoustique forte.
  3. Placez une pompe à eau à l'intérieur du réservoir d'eau et l'allumer afin de créer des variations rapides des conditions environnementales.
  4. Pour estimer la robustesse du système, mesure de la sortie avec le circuit de verrouillage tourné à la fois sur et en dehors. Quand aucun verrouillage est effectué, il n'est pas possible de détecter avec précision le signal d'ultrasons.
  5. Mettez la pompe d 'eau.
  6. Pour estimer les avantages de la sensibilité en raison de la grande cohérence de la source, remplacer le laser à impulsions à large bande avec une source à faible cohérence et répéter la mesure acoustique. On s'attend à une baisse de plus d'un ordre de grandeur de la sensibilité lorsque la source à faible cohérence est utilisé.

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Representative Results

Les figures 4a et 4b montrent respectivement les signaux et leurs spectres correspondant à partir de la sphère microscopique à une distance de 1 mm à partir de la fibre à trois décalages du centre de la π-FBG. Les décalages sont donnés dans la direction z, comme le montre la figure 3. De toute évidence, la sensibilité du détecteur optique à ultrasons à haute fréquence (f> 6 MHz) est anisotrope et est plus élevée lorsque le centre du π-FBG est au dessus de la sphère microscopique . Malgré la différence d'impédance acoustique élevée entre la fibre de silice et d'eau, pas de résonances distinctes sont observées à des fréquences supérieures à 6 MHz, ce qui conduit à un signal acousto-optique pointu bien définie, requis pour des applications d'imagerie. En général, bien que les fréquences de résonance à f <6 MHz peuvent être utilisées pour la détection, leur utilisation pour l'imagerie, il faudrait leur incorporation dans un modèle de reconstruction basé sur un modèle, ce qui complique considérablement l'image formation algorithme 17.

La figure 5 montre une comparaison entre les signaux échographiques mesurées à l'aide d'une source d'impulsions et une source à faible cohérence. En raison de la faible sensibilité obtenue par la source à faible cohérence, une source optoacoustique d'une magnitude plus élevée a été utilisée en comparaison avec celui utilisé dans l'expérience des figures 3-4. A savoir, la source optoacoustique était une tige de graphite d'un diamètre de 0,7 mm, positionnée à une distance d'environ 1,5 mm de la fibre illuminée et avec le même laser utilisé dans l'expérience des figures 3-4. Une réduction significative de la sensibilité d'un facteur de 18 est observée pour les signaux détectés par la source à faible cohérence. La plus faible sensibilité que l'on obtient dans le cas de la source incohérente à large bande est inhérente en tant que le spectre de la source à large bande est généré par un procédé aléatoire. En revanche, dans la source d'impulsions cohérentes, la large bande response est le résultat d'un processus déterministe.

Figure 1
Figure 1. L'montage optique utilisé pour la détection d'ultrasons. L'élément sensible est une fibre pi déphasée réseau de Bragg, et le système de lecture est basée sur l'interférométrie impulsion. Cliquez ici pour agrandir l'image .

Figure 2
Figure 2. Une comparaison de taille entre une sonde à ultrasons intravasculaire du commerce avec une fréquence centrale de 15 MHz et la opticaélément de détection à base de l-fibre utilisée dans ce travail. Cliquez ici pour agrandir l'image .

Figure 3
Figure 3. Une illustration de l'installation opto-acoustique utilisé pour mesurer la réponse acoustique du détecteur optique. Une sphère microscopique sombre éclairé par des impulsions de haute puissance nanosecondes constitue une source ponctuelle acoustique, qui est traduit en trois dimensions pour obtenir une réponse acoustique spatialement dépendants du détecteur. Cliquez ici pour agrandir l'image .

Figure 4 Figure 4. Les signaux (a) et leurs spectres correspondant (b) détectée à partir de la sphère microscopique (telle que représentée sur la figure 3) à une distance de 1 mm à partir de la fibre à trois décalages du centre de la π-FBG. Les spectres sont comparés au spectre d'une source sphérique idéale avec un diamètre de 100 um. Cliquez ici pour agrandir l'image .

Figure 5
Figure 5. Une comparaison entre les signaux échographiques obtenues à l'aide d'une source d'impulsions et alow-cohérence la source. Une réduction significative de la sensibilité est observée pour les signaux détectés avec la source à faible cohérence. Cliquez ici pour agrandir l'image .

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Discussion

En conclusion, un nouveau procédé pour la détection optique d'ultrasons est introduite, qui est basé sur une combinaison d'une interférométrie π-FBG et le pouls. La technique est particulièrement adaptée pour des applications d'imagerie optoacoustique du fait de la transparence de l'élément de détection, ce qui permet aux modèles objet d'illumination presque arbitraires. En revanche, les détecteurs à ultrasons piézoélectriques à base de standards sont opaques et bloquent ainsi une partie des trajets optiques de l'objet imagé, ce qui conduit à des configurations d'imagerie encombrants. Le détecteur optique développé peut donc faciliter la miniaturisation de la technologie acousto-optique et sa traduction clinique.

Les propriétés physiques et mécaniques de l'élément de détection dépendent de la fibre utilisée. Disponibles dans le commerce fibres monomodes sont relativement durable et petite. Par exemple, dans les fibres de silice, tels que celui qui est utilisé dans le présent document, des diamètres de 250 um ou moins et à la rupture des rayons de courbure inférieur à 1 cm sont standard. Fibres de plastique peuvent également être utilisés et peuvent avoir de meilleures propriétés mécaniques; Toutefois, la fabrication de réseaux de Bragg de haute qualité est actuellement disponible dans le commerce que dans les fibres de silice.

La conception de la pi-FBG déphasé détermine la sensibilité et la réponse acoustique dans l'espace dépendant du détecteur optique. En règle générale, il est souhaitable que la résonance soit aussi étroit que possible pour obtenir une sensibilité maximale. Cependant, la largeur de la résonance mesurée en Hertz, doit être supérieure à la largeur de bande acoustique souhaitée pour le détecteur pour permettre son bon fonctionnement. En outre, une haute qualité π-FBG est actuellement un produit sur mesure dont la fabrication nécessite des capacités de fabrication de haute précision offerts par seulement quelques entreprises.

Pulse interférométrie est utilisé pour lire le signal à partir de l'élément de détection optique et permet de bonnes performances dans des conditions ambiantes volatiles. La largeur de bande de la source à déterminers le compromis entre la robustesse et la performance: Si la bande passante est choisie pour être trop petit, il couvrira la résonance que pour faibles perturbations. Si la bande passante est trop importante, seule une fraction de l'énergie à l'entrée de la glycémie à jeun est transmis. La largeur de bande est commandée par les filtres passe-bande optiques, qui fournissent également un avantage supplémentaire de réduire le bruit dans le système en raison de l'émission spontanée amplifiée.

Le champ du détecteur à ultrasons de sensibilité joue un rôle important dans les applications d'imagerie optoacoustique. Il est donc recommandé que la réponse du détecteur se caractérise avant son incorporation dans une configuration acousto-optique. Dans nos expériences, le π-FBG offre une bonne sensibilité aux hautes fréquences (f> 6 MHz) que lorsque la source ponctuelle est positionnée à proximité du centre de la grille (Figure 4). Ceci suggère que le détecteur dispose d'un champ de sensibilité relativement non-divergent. Par conséquent, EPMn utilisé dans des expériences d'imagerie optoacoustique, il est très bénéfique pour l'éclairage d'être déposés sur les régions dans lesquelles la sensibilité de détection élevée à ultrasons est obtenu.

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Disclosures

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont aucun intérêt financier concurrents.

Acknowledgements

DR reconnaît le soutien de la Fondation allemande pour la recherche (DFG) de subventions de recherche (RA 1848/1) et le Conseil européen de la recherche Starting Grant. VN reconnaît l'appui financier de l'Advanced Investigator Award Conseil européen de la recherche, et de l'Innovation de l'BMBF Prix de médecine.

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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