Wideband optisk detektor af ultralyd til medicinsk billedbehandling

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Optisk detektion af ultralyd er upraktisk i mange billeddannende scenarier, fordi det ofte kræver stabile miljøforhold. Vi viser en optisk teknik til ultralyd sensing i flygtige miljøer med miniaturisering og følsomhed niveauer passende for optoacoustic billeddannelse i restriktive scenarier, fx intravaskulære applikationer.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Optiske sensorer ultralyd er et lovende alternativ til piezoelektriske teknikker, som for nylig er blevet påvist inden for optoacoustic billeddannelse. I medicinske anvendelser, en af de vigtigste begrænsninger for optiske sensorer teknologi er dens følsomhed over for miljømæssige forhold, fx ændringer i tryk og temperatur, som kan mætte detektion. Derudover klinisk miljø ofte pålægger strenge grænser for størrelsen og robustheden af ​​sensoren. I dette arbejde er en kombination af puls interferometri og fiberbaserede optiske sensorer demonstreret for ultralyd detektion. Pulse interferometri muliggør robust ydeevne tæller systemet i nærværelse af hurtige variationer i miljøforholdene, hvorimod brugen af ​​all-fiber teknologi fører til et mekanisk fleksibelt følerelement kompatibelt med meget krævende medicinske applikationer såsom intravaskulær billeddannelse. For at opnå en kort sensor længde, enpi-faseforskudt fiber-Bragg-gitter er brugt, der virker som en resonator opfange lys over en effektiv længde på 350 um. At give høj båndbredde er sensoren anvendes til sideværts påvisning af ultralyd, hvilket er yderst fordelagtigt rundtgående imaging geometrier såsom intravaskulær billeddannelse. En optoacoustic imaging setup bruges til at bestemme svaret fra sensor til akustiske punktkilder på forskellige positioner.

Introduction

Ultralyd detektorer spiller en central rolle i mange billedbehandlingsprogrammer. Konventionelt ultralyd detekteres af piezoelektriske transducere, der omdanner trykbølger i spændingssignaler 1. I optoacoustic billedbehandling, er ultralyd genereres via en proces af termisk ekspansion ved at belyse objektet med high-power moduleret lys 2-6. Selvom piezoelektriske transducere er den foretrukne metode i optoacoustic applikationer, deres anvendelse ofte hindrer miniaturisering hovedsagelig fordi miniaturiserede piezoelektriske transducere ofte kendetegnet ved en lav følsomhed. Derudover, da piezoelektriske transducere er optisk uigennemsigtigt, kan de alvorligt forstyrre lys levering til afbildet objekt, begrænser mulighederne for anvendelige imaging konfigurationer. Lys, der tilbagekastet fra objektet til transduceren kan også begrænse den korrekte detektion af ultralyd og komplicerer udformningen af ​​den billeddannende system på grund af optisk induceret parasitic signaler i transduceren 7.

Optiske detektorer af ultralyd er blevet anerkendt som et muligt alternativ til piezoelektriske transducere, der giver mange fordele i optoacoustic billedbehandling scenarier 8-12: De er ofte gennemsigtig og kan normalt miniature uden tab af følsomhed. Funktionsprincip af optiske detektorer er interferometrisk påvisning af minut deformation skabt i det optiske medium på grund af tilstedeværelsen af ​​ultralyd. Ofte er optiske resonatorer anvendes til at øge følsomhed ved at fange lys i perturbed medium for forlængede tidsfrister, hvilket øger effekten af ​​deformation på fasen af ​​det optiske signal. I disse tilfælde, er optisk detektion ordninger baseret på overvågning variationer i resonans bølgelængde, som direkte vedrører strukturere deformationer i resonator. Mest almindeligt er smalle linewidth kontinuerlig bølge (CW) teknikker, der anvendes, hvor en CW laser er tunet til the resonans bølgelængde. Små ændringer i resonans bølgelængde ændre den relative position af laserens bølgelængde inden for resonans, hvilket forårsager variationer i intensiteten af ​​det transmitterede / reflekteret laserlys, som let kan overvåges. Men hvis resonans skift er for stærk, fx på grund af store variationer i tryk, temperatur eller vibrationer, resonans kan skifte helt væk fra laserens bølgelængde, effektivt mætte detektoren 13.

Pulse interferometri 14 tilbyder en løsning til begrænsning af signalmætning og muliggør ultralyd detektering under volatile miljøforhold. I modsætning til smalle linewidth CW ordninger, puls interferometri beskæftiger en bredbånds puls kilde til at belyse resonator. I dette tilfælde resonator fungerer som et båndpasfilter, transmission kun de bølgelængder, der svarer til dens resonansfrekvens, medens resonans forskyder enre påvises ved måling bølgelængde variationer i det optiske signal på resonatoren produktion, fx ved hjælp af en Mach-Zehnder interferometer låst til Quadrature 14,15. En automatisk reset kredsløb bruges til straks genoprette interferometeret arbejdstid punkt i sagen er det tabt på grund af ekstreme variation i miljøforhold. På grund af den relativt brede båndbredde kilden resonans bølgelængde holder sig inden for det belyste bånd selv under kraftige perturbationer muliggør stabil detektor drift, selv under barske omgivelsesbetingelser. Brugen af et sammenhængende kilde til søgninger, dvs optiske pulser, letter påvisning støjsvag.

Den tilsvarende puls interferometry system, der anvendes i vores eksperimenter er vist i figur 1.. Pulsen laser, der anvendes til forhør producerede 90 fsec impulser ved en gentagelse på 100 MHz med en udgangseffekt på 60 mW og spektral bredde på over 100nm. Det optiske filter havde en FWHM spektral bredde på ca 0,4 nm og er indstillet på frekvensen af ​​resonans. Efter filteret blev en optisk forstærker til at kompensere for det betydelige tab af filtreringen. Ekstra filtrering blev anvendt efter forstærkning scenen for at reducere forstærket spontan emission fra forstærkeren. Resonator bruges i vores eksperimenter er en pi-faseforskudt fiber Bragg-gitter (π-FBG) 8, fremstillet af Teraxion Inc. Især for den medicinske anvendelse af ultralyd sensing, π-FBG'erne har gavn af at være all-fiber komponenter, og dermed robust og små. Figur 2 viser en sammenligning mellem dimensionerne af den optiske fiber, der anvendes i dette arbejde, og en 15 MHz miniaturiseret intravaskulær ultralyd (IVUS) piezoelektrisk transducer. Nogle alternative resonans-baserede sporingstilgange, såsom mikro-ring resonatorer fremstillet i plane bølgeledere, kræver koblings fibre på komponentensinput og output, enten fører til mere skrøbelige enheder eller forhindre miniaturisering. I modsætning hertil π-FBG'erne er fibre komponenter og kræver ikke yderligere fiber kobling. Den resonans i π-FBG'erne er skabt af pi faseskift i deres center; lyset, er fanget omkring pi faseskift løbet del af fiberen, som er betydeligt kortere end længden af ​​gitteret selv. I vores eksperimenter, den π-FBG havde en længde på 4 mm og kobling koefficient på κ = 2 mm -1 og dens følsomhed blev fordelt uensartet langs dens længde, med følsomhed eksponentielt aftagende fra risten centrum med en hastighed på κ . Den fulde bredde halvt maksimum (FWHM) følsomhed distribution (SD) var ca 350 um. Den resonans bredde af gitteret bestemmes af både dens længde og dens kobling koefficient i overensstemmelse med følgende ligning:

Ligning 1 hvor λ er resonans bølgelængde og n eff er det effektive brydningsindeks for den tilstand styres i fiberen 8.

For at vurdere, om π-FBG detektor er egnet til billeddannelse applikationer skal måles over et bredt frekvensbånd sin rumligt afhængige respons. Denne opgave er imidlertid yderst udfordrende, når der anvendes konventionelle akustiske teknikker. Vi har derfor ansætte en optoacoustic metode til ultralyd detektor karakterisering 16, hvor en mørk mikroskopisk kugle indlejret i gennemsigtig agar fungerer som en optoacoustic punktkilde. I vores eksperiment mikroskopisk kugle har en diameter på omkring 100 um og er belyst med høj effekt nanosekund optiske pulser med en gentagelseshastighed på 10 Hz, impulsvarighed på cirka 8 ns, og gennemsnitlig effekt på 200 mW. Den optiske energi deponeres i det mikroskopiske SPHeres genererer bredbånd ultralyd-signaler på grund af optoacoustic virkning. Den π-FBG detektor er oversat i forhold til den mikroskopiske kugle for at få sin rumligt afhængig akustiske respons. Figur 3 viser en illustration af optoacoustic eksperiment. Generelt kan denne teknik anvendes til at karakterisere forskellige typer af ultralyd detektorer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Optoacoustic karakterisering af π-FBG Detector

  1. Udarbejdelse af en mikroskopisk kugle suspenderet agar:
    1. Bland agar pulver (1,3 vægt%) med destilleret vand i et bægerglas. Brug en varmeplade magnetisk omrører enhed til at opvarme den løsning, tæt til kogepunktet og opløse agarpulver indtil opløsningen bliver klar og fri for luftbobler. Alternativt kan agaropløsning opvarmes ved brug af en konventionel mikrobølgeovn med omrøring udføres manuelt ved hjælp af en glasomrører. Hæld den varme opløsning i en plastik skimmel, fx sprøjte med spidsen skåret ud.
    2. Drys en lille mængde af mikroskopiske kugler på agaropløsningen og vent indtil opløsningen helt størkner. Tag solid agar fantom ud af formen ved at trykke stemplet.
    3. Se fantom under et stereoskopisk mikroskop skar et lille stykke af agar, der indeholder en enkelt mikroskopisk sfære.
    4. Gentag trin 1.1.1 og tilføje to agaropløsningen fast agar brik der indeholder den enkelte mikroskopiske sfære.
    5. Efter størkning skære agar fantom under mikroskopet, således at det mikroskopiske område ligger tæt på fantomet overflade.
  2. Optoacoustic måling
    1. Brug to v-groove fiber indehavere at holde fiberen fast på begge sider af π-FBG, og tilsluttet holderen til en tredimensional (XYZ) oversættelse computer betjente scenen. Sørg for, at fiber er nedsænket for at muliggøre udbredelsen af ​​ultralyd.
    2. Find den omtrentlige placering af sensing π-FBG element ved at belyse forskellige dele af fiberen med high-power nanosekund-puls laserstråle. Den optiske absorption af belægning, men svag, vil skabe et signal, når belysningen er udført på π-FBG.
    3. Placer agar-embedded mikroskopisk kugle direkte under π-FBG. Den mikroskopiske sfære skal være synlig med det blotte øje.
    4. Ved hjælp af oversættelse scenen, udføre en 2D scanning af π-FBG i et plan parallelt med jorden for at finde det sted, hvor signalet fra mikroskopiske sfære er stærkest og dens tilsvarende tidsforsinkelse er kortest.
    5. Udfør sidste justeringer af belysning til at levere maksimal effekt til den mikroskopiske sfære.
    6. Brug af oversættelsen scenen udføre en 3D scanning af π-FBG og registrere signalet for hver position.
    7. For at opnå det rumligt afhængig frekvensrespons ultralyd detektor, udføre Fouriertransformation på det optagede tidsdomænet ultralydsignal.

2.. Estimering af robusthed og følsomhed af π-FBG Detector ydeevne

  1. Brug to v-groove fiber indehavere at holde fiberen fast på begge sider af π-FBG og nedsænkes π-FBG.
  2. Placer en mørk plade eller en grafit stang sturdily til ansigt π-FBG og belyse det with high-power nanosekund-puls laserstråle til at skabe en stærk akustisk felt.
  3. Placer en vandpumpe inde i vandtanken og tænde den for at skabe hurtige variationer i miljøforholdene.
  4. For at estimere robusthed af systemet, måle output med låse-kredsløb tændt både på og udenfor. Når der ikke låsning er udført, er det ikke muligt nøjagtigt at detektere ultralydssignal.
  5. Drej vandpumpen slukket.
  6. For at estimere fordel i følsomhed på grund af den høje sammenhæng kilden udskifte bredbånds impuls laser med en lav sammenhæng kilde og gentag akustisk måling. Der forventes et fald på over en størrelsesorden i følsomhed, når lav-sammenhæng kilde anvendes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

4a og 4b viser henholdsvis signaler og deres tilsvarende spektre fra det mikroskopiske område i en afstand af 1 mm fra fiber til tre forskydninger fra midten af π-FBG. Forskydningerne er givet i z-retningen, som afbildet i fig. 3. Det er klart, Den optiske detektor følsomhed højfrekvent ultralyd (f> 6 MHz) er anisotropisk og er størst, når midten af π-FBG er direkte over det mikroskopiske område . Trods høj akustisk impedans mismatch mellem silica fiber og vand, ingen særskilte resonanser observeret ved frekvenser over 6 MHz, hvilket fører til en veldefineret skarpe optoacoustic signal, der kræves til billedbehandling. Generelt, selvom resonansfrekvenser ved f <6 MHz kan anvendes til registrering, vil deres anvendelse til billeddannelse kræver deres inkorporering i en modelbaseret rekonstruktion model betydeligt komplicerer billedet formation algoritme 17..

Figur 5 viser en sammenligning mellem ultralyd-signaler målt ved anvendelse af en puls kilde og en lav sammenhæng kilde. På grund af den lave følsomhed opnås ved lav-sammenhæng kilde er en optoacoustic kilde med en højere størrelsesorden, der anvendes i forhold til den, der anvendes i forsøget i fig 3-4. Nemlig optoacoustic Kilden var en grafit stang med en diameter på 0,7 mm, anbragt i en omtrentlig afstand på 1,5 mm fra fiberen og belyst med den samme laser, der anvendes i forsøget i fig 3-4. Er observeret en signifikant reduktion i følsomhed på en faktor 18 for de signaler, opdages med lav-sammenhæng kilde. Den lavere følsomhed, der opnås i tilfælde af usammenhængende bredbånds kilde er iboende som bredbåndsspektret af kilden er genereret af en tilfældig proces. I modsætning hertil i det sammenhængende puls kilden, bredbånds hhvonse er et resultat af en deterministisk proces.

Figur 1
Figur 1.. Den optiske setup bruges til ultralyd detektering. Følerelementet er en pi-faseforskudt fiber Bragg gitter, og udlæsningen system er baseret på puls interferometri. Klik her for at se større billede .

Figur 2
Figur 2. En størrelse sammenligning mellem et kommercielt intravaskulær ultralyd-probe med en central frekvens på 15 MHz og optical-fiberbaseret sensing element, der anvendes i dette arbejde. Klik her for at se større billede .

Figur 3
Fig. 3. En illustration af optoacoustic opsætning der anvendes til måling af den akustiske respons af den optiske detektor. En mørk mikroskopisk kugle belyst med høj effekt nanosekund pulser udgør en akustisk punktkilde, som translateres i tre dimensioner for at opnå en rumligt afhængig akustisk respons af detektoren. Klik her for at se større billede .

Figur 4 Figur 4.. Signalerne (a) og deres tilsvarende spektre (b) påviste fra mikroskopiske område (som afbildet i figur 3) i en afstand af 1 mm fra fiber til tre forskydninger fra midten af π-FBG. Spektre sammenlignes med spektret af en ideel sfærisk kilde med en diameter på 100 um. Klik her for at se større billede .

Figur 5
Fig. 5. En sammenligning mellem ultralyd-signaler opnået ved anvendelse af en puls kilde, og alow-sammenhæng kilde. observeres for de signaler, opdages med lav-sammenhæng kilde En betydelig reduktion i følsomhed. Klik her for at se større billede .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Konklusionen er, at en ny optisk metode til ultralyd detektering introduceret, som er baseret på en kombination af en π-FBG og puls interferometri. Teknikken er specielt velegnet til optoacoustic billedbehandlingsprogrammer på grund af gennemsigtigheden af ​​sensing element, der giver et næsten vilkårlige objekt belysningsmønstre. I modsætning hertil, standard piezoelektriske baseret ultralyd detektorer er uigennemsigtige og dermed blokere nogle af de optiske veje til afbildet objekt, hvilket fører til voluminøse imaging opsætninger. Den udviklede optisk detektor kan således gøre det lettere at miniaturisering af optoacoustic teknologi og dens kliniske oversættelse.

De fysiske og mekaniske egenskaber af følerelementet afhænger af de anvendte fibre. Kommercielt tilgængelige single-mode fibre er relativt holdbart og små. For eksempel i siliciumdioxidfibre, såsom den, der anvendes i dette dokument, diametre på 250 um eller mindre og brud bøje radier på mindre end 1 cm er standard. Plastfibre kan også anvendes og kan have bedre mekaniske egenskaber; Men fremstillingen af ​​høj kvalitet FBG'erne er i øjeblikket kommercielt tilgængelige kun siliciumdioxidfibre.

Udformningen af ​​pi-faseforskudt FBG bestemmer følsomheden og rumligt afhængig akustiske respons af den optiske detektor. Generelt er det ønskeligt, at resonansen være så smalle som muligt for at opnå maksimal følsomhed. Men bredden af ​​resonans måles i Hertz, skal være højere end den ønskede akustiske båndbredde til detektoren for at tillade korrekt funktion. Derudover en høj kvalitet π-FBG er i øjeblikket et skræddersyet produkt, hvis fabrikation kræver høj præcision produktionsmuligheder tilbydes af kun få selskaber.

Pulse interferometri anvendes til aflæsning af signalet fra den optiske aftaster og giver robust ydeevne under flygtige miljøforhold. Båndbredden af ​​kilden bestemmes tradeoff mellem robusthed og ydeevne: Hvis båndbredden er valgt til at være for lille, vil det dække resonans kun for svage perturbationer. Hvis båndbredden er for stort, vil kun en brøkdel af den energi ved indgangen af ​​FBG skal transmitteres. Båndbredden er kontrolleret af optiske båndpasfiltre, hvilket også giver en ekstra fordel ved at reducere støj i systemet på grund af forstærket spontan emission.

Følsomhed inden for ultralyd detektor spiller en vigtig rolle i optoacoustic billedbehandling. Det anbefales derfor, at svaret af detektoren karakteriseres før stiftelsen i en optoacoustic setup. I vores forsøg på π-FBG giver god følsomhed ved høje frekvenser (f> 6 MHz), når punktkilde er placeret tæt gitteret centrum (figur 4). Dette tyder på, at detektoren har et relativt ikke-divergerende følsomhed felt. Derfor when bruges i optoacoustic billeddannelse eksperimenter, er det yderst gavnligt for belysning skal leveres til regioner, hvor høj ultralyd følsomhed opnås.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgements

DR erkender støtte fra den tyske Research Foundation (DFG) Research Grant (RA 1848/1), og Det Europæiske Forskningsråd Starting Grant. VN anerkender økonomisk støtte fra Det Europæiske Forskningsråd Advanced Investigator Award, og BMBF Innovation i Medicine 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hunt, J. W. Ultrasound transducers for pulse-echo medical imaging. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 30, 453-481 (1983).
  2. Razansky, D. Multispectral opto-acoustic tomography of deep-seated fluorescent proteins in vivo. Nature Photon. 3, 412-417 (2009).
  3. Ntziachristos, V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nature Methods. 7, 603-614 (2010).
  4. Wang, L. H., Hu, S. Photoacoustic tomography: In vivo imaging from organelles to organs. Science. 23, 1458-1462 (2012).
  5. Sethuraman, S. Photoacoustic imaging using an IVUS imaging catheter. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 54, 978-986 (2007).
  6. Rosenthal, A. Optoacoustic methods for frequency calibration of ultrasonic sensors. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 58, 316-326 (2011).
  7. Rosenthal, A. High-sensitivity compact ultrasonic detector based on a pi-phase-shifted fiber Bragg grating. Optics Letters. 36, 1833-1835 (2011).
  8. Beard, P. C., Mills, T. N. Extrinsic optical fibre ultrasound sensor using a thin polymer film as a low finesse Fabry-Perot interferometer. Applied Optics. 35, 663-675 (1996).
  9. Xiong Pernice, W. H. P., Tang, C., X, H. High Q micro-ring resonators fabricated from polycrystalline aluminum nitride films for near infrared and visible photonics. Optics Express. 20, 12261-12269 (2012).
  10. Zhang, E. Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner using a planar Fabry-Perot polymer film ultrasound sensor for high-resolution three-dimensional imaging of biological tissues. Applied Optics. 47, 561-577 (2008).
  11. Grün, H. Three-dimensional photoacoustic imaging using fiber-based line detectors. Journal of Biomedical Optics. 15, 021306-02 (2010).
  12. Avino, S. Musical instrument pickup based on a laser locked to an optical fiber resonator. Optics. Express. 19, 25057-25065 (2011).
  13. Rosenthal, A. Wideband optical sensing using pulse interferometry. Optics Express. 20, 19016-19029 (2012).
  14. Rosenthal, A. Wideband fiber-interferometer stabilization with variable phase. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1499-1501 (2012).
  15. Rosenthal, A. Spatial characterization of the response of a silica optical fiber to wideband ultrasound. Optics Letters. 37, 15-3174 (2012).
  16. Rosenthal, A., Razansky, D., Ntziachristos, V. Model-based optoacoustic inversion with arbitrary-shape detectors. Medical Physics. 38, 4285-4295 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics