Wideband Optical Detector von Ultraschall für medizinische Imaging-Anwendungen

Bioengineering

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Summary

Optische Detektion von Ultraschall ist unpraktisch in vielen Bildszenarien, weil es oft stabile Umweltbedingungen erfordert. Wir zeigen eine optische Sensortechnik für Ultraschall in volatilen Umgebungen mit Miniaturisierung und Empfindlichkeitsstufen für optoakustische Bildgebung angemessen restriktiven Szenarien, wie zB intravaskuläre Anwendungen.

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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

Optische Sensoren Ultraschall sind eine vielversprechende Alternative zu piezoelektrischen Techniken wie kürzlich auf dem Gebiet der optoakustischen Bildgebung nachgewiesen. In medizinischen Anwendungen, ist eine der Haupteinschränkungen der optischen Sensortechnologie ihre Anfälligkeit gegenüber Umgebungsbedingungen, z. B. Änderungen in Druck und Temperatur, die den Nachweis sättigen kann. Zusätzlich klinischen Umfeld auferlegt oft strenge Beschränkungen für die Größe und Robustheit des Sensors. In dieser Arbeit wird die Kombination aus Impuls Interferometrie und faserbasierten optischen Erfassungs zur Ultraschalldetektion nachgewiesen. Pulse-Interferometrie ermöglicht robusten Entwicklung der Auslesesystem in Gegenwart von schnellen Änderungen in den Umweltbedingungen, während die Verwendung von All-Faser-Technologie führt zu einer mechanisch flexible Sensorelement mit sehr anspruchsvollen medizinischen Anwendungen wie intravaskulären Bildgebung kompatibel. Um eine kurze Sensorlänge zu erreichen, einpi-phasenverschobenen Bragg-Fasergitter verwendet wird, der als Resonator einfängt über eine effektive Länge von 350 um handelt. Um eine hohe Bandbreite zu ermöglichen, wird der Sensor zur Erfassung von seitlichen Ultraschall, die sehr nützlich bei der bildgebenden Umfangsgeometrien wie intravaskulären Bildgebung verwendet. Optoakustischer Abbildungsaufbau wird verwendet, um die Reaktion des Sensors für akustische Punktquellen an unterschiedlichen Positionen zu bestimmen.

Introduction

Ultraschall-Detektoren spielen eine Schlüsselrolle in vielen Imaging-Anwendungen. Herkömmlicherweise wird Ultraschall von piezoelektrischen Wandlern, die Druckwellen in Spannungssignale umwandeln 1 festgestellt. In optoakustische Bildgebung wird Ultraschall über einen Prozess der Wärmeausdehnung durch Beleuchtung des Objekts mit High-Power-modulierte Licht 6.2 erzeugt. Obwohl piezoelektrischen Wandlern sind die Methode der Wahl in der optoakustischen Anwendungen, deren Nutzung oft behindert Miniaturisierung vor allem, weil miniaturisierten piezoelektrische Wandler sind oft von geringer Empfindlichkeit aus. Darüber hinaus, da piezoelektrische Wandler sind optisch undurchsichtig sind, können sie stark mit Licht Lieferung an den abgebildeten Objekt stören, die Begrenzung Möglichkeiten nutzbar Imaging-Konfigurationen. Licht, das vom Objekt zum Wandler zurückgestreuten kann auch die korrekte Erkennung von Ultraschall zu begrenzen und erschweren die Gestaltung des Abbildungssystems durch optisch induzierte Schädlingic-Signale im Wandler 7.

Optische Detektoren von Ultraschall wurden als mögliche Alternative zum piezoelektrischen Wandlern, die viele Vorteile in optoakustischen Bildgebungs Szenarien 8-12 bietet erkannt worden: Sie sind häufig transparent und kann in der Regel ohne Empfindlichkeitsverlust verkleinert werden. Das Arbeitsprinzip der optischen Detektoren interferometrischen Detektion der Minute Verformung in dem optischen Medium aufgrund der Gegenwart von Ultraschall erzeugt. Oft werden Resonatoren verwendet, um die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen durch Einfangen Licht im gestörten Medium für längere Laufzeiten, wodurch die Wirkung der Verformung auf die Phase des optischen Signals. In diesen Fällen werden optische Erfassungssysteme zur Überwachung Variationen in der Resonanzwellenlänge, welche direkt betreffen Verformungen in dem Resonator-Struktur. Am häufigsten werden schmale Linienbreite (CW)-Techniken verwendet, bei denen ein Dauerstrichlaser ist so abgestimmt, the Resonanzwellenlänge. Kleine Verschiebungen in der Resonanzwellenlänge der relativen Position der Wellenlänge des Lasers innerhalb des Resonanz ändern, wodurch Variationen in der Intensität des übertragenen / reflektierten Laserlichts, die leicht überwacht werden können. Wenn jedoch die Resonanzverschiebungen zu stark sind, z. B. aufgrund von großen Druckschwankungen, Temperatur oder Vibrationen, die Resonanz kann vollständig von der Laserwellenlänge zu verschieben, effektiv Sättigung des Detektors 13.

Impuls Interferometrie 14 bietet eine Lösung für die Begrenzung der Signalsättigung und ermöglicht Ultraschalldetektion unter Umgebungsbedingungen flüchtig. Im Gegensatz zu verengen Linienbreite CW Systeme beschäftigt Puls Interferometrie ein Breitbandpulsquelle, den Resonator zu beleuchten. In diesem Fall wirkt der Resonator als ein Bandpaßfilter, Senden nur die Wellenlängen, die ihrer Resonanzfrequenz entspricht, während die Resonanzverschiebungen einWieder durch Messen der Wellenlängenvariationen des optischen Signals am Ausgang des Resonators, z. B. durch Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometer gesperrt Quadratur 14,15 detektiert. Eine automatische Reset-Schaltung wird verwendet, um sofort wieder her Arbeitspunkt des Interferometers in der Fall ist aufgrund der extremen Unterschiede in Umweltbedingungen verloren. Aufgrund der relativ große Bandbreite von der Quelle, bleibt die Resonanzwellenlänge innerhalb des beleuchteten Band selbst unter starken Störungen, eine stabile Detektor Betrieb auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Die Verwendung einer kohärenten Quelle für die Abfrage, das heißt Lichtimpulse, erleichtert geräuscharm Erkennung.

Die entsprechende Impuls Interferometriesystem in unseren Experimenten verwendet, ist in Fig. 1 gezeigt. Der Pulslaser für die Abfrage verwendeten 90 fs erzeugt Impulse mit einer Wiederholungsrate von 100 MHz mit einer Ausgangsleistung von 60 mW und einer spektralen Breite von mehr als 100nm. Das optische Filter hatte eine spektrale Halbwertsbreite von etwa 0,4 nm und wurde auf die Frequenz des Resonanz abgestimmt. Nach dem Filter wurde ein optischer Verstärker verwendet wird, um den erheblichen Verlust bei der Filterung zu kompensieren. Zusätzliche Filterung wurde nach der Verstärkerstufe angelegt, um verstärkte spontane Emission von dem Verstärker zu verringern. Die in unseren Experimenten verwendet Resonator ein pi-phasenverschobene Faser-Bragg-Gitter (FBG-π) 8, durch Teraxion Inc. Insbesondere für die medizinische Anwendung von Ultraschallsensor hergestellt, π-FBG haben den Vorteil, dass alle Faserkomponenten, und so robust und klein. Fig. 2 zeigt einen Vergleich zwischen den Abmessungen der optischen Faser in dieser Arbeit verwendet, und ein 15 MHz miniaturisierten intravaskulären Ultraschall (IVUS) piezoelektrische Wandler. Einige alternative Resonanzbasierte Erkennung Ansätze, wie Mikroringresonatoren in planaren Wellenleitern hergestellt werden, erfordern Kupplungs Fasern an der KomponenteEingang und Ausgang, entweder mehr oder fragile Geräte führenden behindern Miniaturisierung. Im Gegensatz dazu sind π-FBG in Faserkomponenten und keine zusätzlichen Faserkopplung erforderlich. Die Resonanz in π-FBG ist durch die pi-Phasenverschiebung in ihrem Zentrum geschaffen; Licht ist um die Phasenverschiebung über pi Teil der Faser, die wesentlich kürzer als die Länge des Gitters selbst gefangen. In unseren Experimenten war die π-FBG eine Länge von 4 mm und Kopplungskoeffizient κ = 2 mm -1 und die Empfindlichkeit wurde nicht einheitlich entlang seiner Länge verteilt sind, wobei die exponentiell abnehmende Empfindlichkeit von der Gittermitte mit einer Geschwindigkeit von κ . Die volle Breite-halb-Maximum (FWHM) der Empfindlichkeitsverteilung (SD) betrug etwa 350 um. Die Resonanzbreite der Gitter durch sowohl seine Länge und seine Kopplungskoeffizient nach der folgenden Gleichung bestimmt wird:

Gleichung 1 wo λ die Resonanzwellenlänge ist und n eff der effektive Brechungsindex des Modus in der Faser 8 geführt.

Zu beurteilen, ob die π-FBG Detektor für Abbildungsanwendungen geeignet ist, braucht seine ortsabhängige Reaktion auf in einem breiten Frequenzband gemessen werden. Jedoch ist diese Aufgabe extrem schwierig, wenn herkömmliche akustische Techniken verwendet werden. Wir setzen daher eine optoakustische Verfahren zur Charakterisierung Ultraschalldetektor 16, in der eine dunkle mikroskopischen Bereich, in transparent-Agar eingebettet dient als optoakustischen Punktquelle. In unserem Experiment hat der mikroskopische Kugel einen Durchmesser von etwa 100 um und ist mit Hochleistungsnano optische Pulse mit einer Wiederholungsrate von 10 Hz, Impulsdauer von etwa 8 ns, und die Durchschnittsleistung von 200 mW belichtet. Die optische Energie im mikroskopischen sph hinterlegteres erzeugt Breitbandultraschallsignale aufgrund der optoakustischen Effekt. Die π-FBG Detektor relativ zu dem mikroskopischen Bereich verschoben, um seine ortsabhängige akustische Reaktion zu erhalten. Fig. 3 zeigt eine Darstellung der optoakustischen Experiment. Im allgemeinen kann diese Technik eingesetzt werden, um verschiedene Arten von Ultraschall-Detektoren charakterisiert.

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Protocol

1. Optoakustische Charakterisierung des π-FBG-Detektor

  1. Vorbereitung eines mikroskopischen Bereich in Agar suspendiert:
    1. Mischen Agar-Pulver (1,3 Gew.%) mit destilliertem Wasser in einem Becherglas. Verwenden Sie eine heiße Platte magnetisch-Rührwerk, um die Lösung in der Nähe von Kochtemperatur erhitzen und die Agar-Pulver auflösen, bis die Lösung klar und frei von Luftblasen. Alternativ kann der Agar-Lösung unter Verwendung eines herkömmlichen Mikrowellen unter Rühren durchgeführt manuell mit einem Glasstab erwärmt werden. Gießen Sie die heiße Lösung in eine Kunststoffform, z. B. Spritze mit der Spitze ausgeschnitten.
    2. Streuen Sie eine kleine Menge von mikroskopischen Sphären auf den Agar-Lösung und warten, bis die Lösung vollständig erstarrt. Nehmen Sie die Fest Agar Phantom aus der Form, indem Sie den Kolben.
    3. Sehen Sie das Phantom unter einem Stereomikroskop schneiden Sie ein kleines Stück Agar, der einen einzelnen mikroskopischen Bereich enthält.
    4. Wiederholen Sie Schritt 1.1.1 und fügen to der Agar-Agar-Lösung der Feststoffstück, das die einzelnen mikroskopischen Bereich.
    5. Nach dem Erstarren, schneiden Sie die Phantom-Agar unter dem Mikroskop, so dass die mikroskopischen Bereich liegt in der Nähe des Phantoms Fläche befindet.
  2. Optoakustische Messung
    1. Mit zwei V-Nut-Faserhalter, um die Faser fest an beiden Seiten des π-FBG halten, und angeschlossen ist, um den Halter ein dreidimensionales (XYZ) Übersetzung computergesteuerten Bühne. Sicherzustellen, dass die Faser eingetaucht wird, um die Ausbreitung von Ultraschall zu ermöglichen.
    2. Finden die ungefähre Lage des Erfassungs π-FBG Element durch Beleuchten verschiedene Teile der Faser mit der Hochleistungs-Nanosekunden-Impulslaserstrahl. Die optische Absorption der Beschichtung, aber schwach ist, wird ein Signal erzeugen, wenn die Beleuchtungsstärke im π-FBG durchgeführt.
    3. Legen Sie die Agar-embedded mikroskopischen Bereich direkt unter der π-FBG. Die mikroskopische Kugel sichtbar, die mit bloßem Auge.
    4. Verwendung der Übersetzungsstufe, führen eine 2D-Scan des π-FBG in der Ebene parallel zum Boden, um die Position, wo das Signal von der mikroskopischen Bereich ist am stärksten und der entsprechenden Zeitverzögerung kürzesten finden.
    5. Führen letzten Anpassungen der Beleuchtung, um maximale Leistung der mikroskopischen Bereich zu liefern.
    6. Mit der Übersetzung der Bühne ein 3D-Scan des π-FBG und notieren Sie das Signal für jede Position.
    7. Um den ortsabhängigen Frequenzgang der Ultraschalldetektor zu erhalten, die Fourier-Transformation auf dem aufgezeichneten Zeitbereichs-Ultraschall-Signal.

2. Einschätzung der Robustheit und Empfindlichkeit des π-FBG Detector Performance

  1. Mit zwei V-Nut-Faserhalter, um die Faser fest an beiden Seiten des π-FBG halten und tauchen die π-FBG.
  2. Legen Sie eine dunkle Platte oder ein Graphitstab kräftig um die π-FBG Gesicht und beleuchten es with der Hochleistungsnanosekundenpuls-Laserstrahl, um eine starke Schallfeld zu erzeugen.
  3. Legen Sie eine Wasserpumpe im Wasserbehälter und schalten Sie es ein, um schnelle Veränderungen in den Umweltbedingungen zu schaffen.
  4. Um die Robustheit des Systems zu schätzen, messen Sie den Ausgang mit dem Sperrkreis drehte auf und weg. Wenn keine Verriegelung durchgeführt wird, ist es nicht möglich, das Ultraschallsignal genau zu erfassen.
  5. Drehen Sie den Wasserpumpe aus.
  6. Um den Nutzen der Empfindlichkeit aufgrund der hohen Kohärenz der Quelle abzuschätzen, ersetzen Sie den Breitbandpulslaser mit geringer Kohärenzquelle und wiederholen Sie die akustische Messung. Eine Abnahme von mehr als eine Grßenordnung der Empfindlichkeit erwartet wird, wenn die Niederkohärenzquelle verwendet wird.

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Representative Results

Figuren 4a und 4b zeigen jeweils die Signale und deren entsprechenden Spektren von der mikroskopischen Bereich in einem Abstand von 1 mm von der Faser für drei Abstände von dem Zentrum der π-FBG. Die Offsets werden in z-Richtung entspricht, wie in Fig. 3 dargestellt. Offensichtlich ist die Empfindlichkeit des optischen Detektors, um Hochfrequenz-Ultraschall (F> 6 MHz) anisotrop und ist am höchsten, wenn das Zentrum der π-FBG direkt über dem mikroskopischen Bereich . Trotz der hohen akustischen Impedanz-Fehlanpassung zwischen der Silica-Faser und Wasser werden keine ausgeprägte Resonanzen bei Frequenzen oberhalb von 6 MHz beobachtet, was zu einer gut definierten scharfen optoakustisches Signal für Abbildungsanwendungen erforderlich. Im allgemeinen, obwohl die Resonanzfrequenzen bei f <6 MHz kann zum Erfassen benutzt werden, ihre Verwendung zur Bildgebung würde ihr Einbau in einer modellbasierten Rekonstruktion Ausführung benötigen, erheblich verkompliziert das Bild formationen Algorithmus 17.

Figur 5 zeigt einen Vergleich zwischen den Ultraschallsignalen unter Verwendung eines Impulsquelle und eine Niederkohärenzquelle. Aufgrund der geringen Empfindlichkeit durch die Niederkohärenzquelle erhalten wurde, wurde ein optoakustischen Quelle mit einem höheren Ausmaß im Vergleich zu dem in dem Experiment von Fig. 3-4 verwendet wird. Nämlich die optoakustischen Quelle war ein Graphitstab mit einem Durchmesser von 0,7 mm, bei einem ungefähren Abstand von 1,5 mm von der Faser angeordnet und mit dem gleichen Laser bei dem Experiment von Fig. 3-4 verwendet wird beleuchtet. Für die mit der Niederkohärenzquelle detektierten Signalen ist eine signifikante Reduktion in der Empfindlichkeit um einen Faktor 18 beobachtet. Die geringere Empfindlichkeit, die in dem Fall der inkohärenten Breitbandquelle erhalten wird, als die inhärente Breitbandspektrum der Quelle wird durch einen Zufallsprozess erzeugt werden. Im Gegensatz dazu wird in der kohärenten Impulsquelle, das Breitband-bzw.onse ist ein Ergebnis einer deterministischen Verfahren.

Figur 1
Abbildung 1. Der optische Aufbau für die Ultraschallerkennung. Das Sensorelement ist ein pi-phasenverschobenen Faser-Bragg-Gitter, und die Auslesesystem auf Puls-Interferometrie basiert. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Figur 2
2. Einen Größenvergleich zwischen einem kommerziellen intravaskulärer Ultraschallsonde mit einer Mittenfrequenz von 15 MHz und der optical-Faser-basierten Sensorelement in dieser Arbeit verwendet. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Fig. 3
3. Eine Darstellung des akusto-optischen Einrichtung zum Messen der akustischen Antwort des optischen Detektors verwendet. Eine dunkle mikroskopischen Bereich mit hoher Leistung Nanosekundenpulse beleuchtet bildet eine akustische Punktquellen, die in drei Dimensionen übersetzt wird, um eine ortsabhängige akustische Reaktion zu erhalten des Detektors. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Fig. 4 4. Die Signale (a) und die entsprechenden Spektren (b) aus der mikroskopischen Bereich (wie in Fig. 3 dargestellt) in einem Abstand von 1 mm von der Faser für drei Abstände von dem Zentrum der π-FBG detektiert. Die Spektren sind auf das Spektrum eines idealen Kugelquelle mit einem Durchmesser von 100 um verglichen. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Figur 5
5. Ein Vergleich zwischen Ultraschallsignalen unter Verwendung einer Impulsquelle und Alow-Kohärenzquelle. für die mit der Niederkohärenzquelle detektierten Signale wird eine signifikante Reduktion in der Empfindlichkeit beobachtet. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

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Discussion

Zusammenfassend ist ein neues optisches Verfahren zur Ultraschalldetektion eingeführt, die auf einer Kombination aus einem π-FBG und Impuls Interferometrie beruht. Die Technik ist besonders für optoakustische Bildgebungsanwendungen aufgrund der Transparenz des Sensorelements, die fast beliebigen Objektbeleuchtungsmuster ermöglicht geeignet. Im Gegensatz dazu sind Standard auf Basis piezoelektrischen Ultraschalldetektoren undurchsichtig und somit blockieren einige der optischen Wege, um das abgebildete Objekt, was zu sperrig Imaging-Setups. Das entwickelte optische Detektor kann somit erleichtert die Miniaturisierung optoakustischen Technologie und ihre klinische Umsetzung.

Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Sensorelements hängt von der verwendeten Faser. Im Handel erhältliche Single-Mode-Fasern sind relativ robust und klein. Beispielsweise in Quarzfasern, wie die in diesem Dokument verwendet wird, Durchmessern von 250 &mgr; m oder kleiner und Bruch Biegeradien von weniger als 1 cm sind standard. Kunststofffasern können ebenfalls verwendet werden und können bessere mechanische Eigenschaften haben; jedoch ist die Herstellung von hochwertigen FBG gegenwärtig kommerziell nur in Silicafasern.

Das Design des pi-phasenverschobenen FBG bestimmt die Empfindlichkeit und räumlich abhängige akustische Antwort des optischen Detektors. Im allgemeinen ist es erwünscht, dass die Resonanz so schmal wie möglich, um eine maximale Empfindlichkeit zu erreichen. Jedoch ist die Breite der Resonanz gemessen in Hertz, muss höher sein als die gewünschte Bandbreite für das akustische Detektor sein, dessen ordnungsgemäßen Betrieb zu ermöglichen. Zusätzlich ist eine hochwertige π-FBG derzeit ein maßgeschneidertes Produkt, dessen Herstellung erfordert hochpräzise Fertigungskapazitäten nur von wenigen Firmen angeboten.

Impuls Interferometrie zum Lesen des Signals von dem optischen Erfassungselement und ermöglicht eine robuste Leistung bei Umgebungsbedingungen flüchtig. Die Bandbreite der Quelle zu bestimmenist der Kompromiss zwischen Robustheit und Leistung: Wenn die Bandbreite zu klein gewählt werden, wird es die Resonanz nur für schwache Störungen zu decken. Wenn die Bandbreite zu groß ist, wird nur ein Bruchteil der Energie am Eingang des FBG übertragen werden. Die Bandbreite wird durch den optischen Bandpassfiltern, die auch einen zusätzlichen Vorteil der Reduzierung von Lärm in dem System aufgrund einer verstärkten Spontanemission gesteuert.

Die Empfindlichkeit Feld der Ultraschalldetektor spielt eine wichtige Rolle bei der optoakustische Bildgebungsanwendungen. Es wird daher empfohlen, daß die Antwort des Detektors vor der Integration in einem optoakustischen Setup charakterisieren. In unseren Experimenten bietet die π-FBG gute Empfindlichkeit bei hohen Frequenzen (f> 6 MHz) nur, wenn die Punktquelle ist nahe des Gitters entfernt (Abbildung 4). Dies legt nahe, dass der Detektor eine relativ nicht-divergierenden Feldempfindlichkeit. Daher when in der optoakustische Bildgebung Experimente verwendet wird, ist es sehr vorteilhaft für die Beleuchtung in Regionen, in denen hohe Ultraschallerfassungsempfindlichkeit erhalten wird geliefert.

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Disclosures

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen konkurrieren.

Acknowledgements

DR dankt für die Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Forschungsstipendium (RA 1848/1) und dem European Research Council Starting Grant. VN räumt finanzielle Unterstützung von der Europäischen Forschungsrates Advanced Investigator Award und der BMBF-Innovationspreis für Medizin.

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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