Широкополосный оптический детектор ультразвука для медицинской визуализации приложений

Резюме

Оптическое детектирование ультразвука непрактично во многих сценариях обработки изображений, потому что это часто требует стабильных условиях окружающей среды. Мы демонстрируем оптический метод для ультразвукового зондирования в нестабильных условиях с миниатюризации и чувствительности уровням, соответствующим ОА томографии в ограничительных сценариев, например внутрисосудистых приложений.

Аннотация

Оптические датчики ультразвука перспективной альтернативой пьезоэлектрических методов, как было недавно продемонстрировано в области оптико-акустического изображения. В медицинских применений, одним из главных ограничений оптического зондирования является его восприимчивость к условиям окружающей среды, например, изменения давления и температуры, что может насытить обнаружения. Кроме того, клиническая среда часто накладывает жесткие ограничения на размер и надежность датчика. В этой работе, сочетание импульсов интерферометрии и волоконно-оптического зондирования на основе продемонстрирована для обнаружения ультразвука. Импульсный интерферометрии позволяет надежную работу системы отсчета в присутствии быстрых изменений условий окружающей среды, в то время как использование технологии все волокна приводит к механически гибкого чувствительного элемента, совместимый с высокими требованиями медицинских применений, таких как внутрисосудистого изображений. Для достижения короткую длину датчика,пи-сдвинутый по фазе волокно брэгговская решетка используется, который действует в качестве резонатора захвата свет на эффективной длине 350 мкм. Чтобы включить высокую пропускную способность, датчик используется для бокового обнаружения ультразвука, который является весьма полезным в окружных геометрии визуализации, таких как внутрисосудистого изображения. ОА установки томография используется для определения реакции датчика для акустических точечных источников в различных положениях.

Введение

Ультразвуковые датчики играют ключевую роль во многих приложениях обработки изображений. Традиционно, УЗИ обнаруживается пьезоэлектрических преобразователей, которые превращают волны давления в сигналы напряжения ^1. В ОА томографии, УЗИ генерируется с помощью процесса термического расширения путем освещения объекта с высокой мощности модулированного света ^2-6. Хотя пьезоэлектрические преобразователи являются методом выбора в ОА приложений, их использование часто мешает миниатюризации главным образом потому, миниатюрные пьезоэлектрические преобразователи часто характеризуются низкой чувствительностью. Кроме того, поскольку пьезоэлектрические преобразователи оптически непрозрачными, они могут серьезно помешать света доставкой отображаемого объекта, ограничивая возможности пригодных конфигураций обработки изображений. Свет, который, рассеянный объекта к датчику может также ограничить правильное обнаружение ультразвука и усложняют конструкцию системы формирования изображения в связи с оптически индуцированной ParasitИК сигналов в преобразователе ^7.

Оптические датчики ультразвука были признаны в качестве возможной альтернативы пьезоэлектрических преобразователей, который предлагает много преимуществ в ОА сценариев визуализации ^8-12: Они часто прозрачны и могут быть, как правило, миниатюрные без потери чувствительности. Принцип работы оптических детекторов интерферометрический обнаружение минут деформации, созданной в оптической среды в связи с наличием ультразвука. Часто, оптические резонаторы используются для улучшения чувствительности обнаружения путем улавливания света в возмущенной среде в течение длительного длительности, тем самым увеличивая эффект деформации на фазы оптического сигнала. В тех случаях, схемы оптического детектирования основаны на мониторинг изменений в резонансной длины волны, которые непосредственно относятся к структуре деформаций в резонаторе. Чаще всего, методы узкой ширины линии непрерывной волны (CW) используются, в которой лазер НД настроен на гое-резонанс волны. Небольшие сдвиги в резонансной длины волны изменить относительное положение длины волны лазера в резонанс, тем самым вызывая изменения в интенсивности прошедшего / отраженного лазерного света, который может быть легко контролировать. Однако, если резонансные сдвиги слишком сильны, например, из-за больших изменений в давление, температура, или вибрации, резонанс может сдвигаться полностью от длины волны лазера, эффективно насыщая детектор ^13.

Пульс интерферометрии ¹⁴ предлагает решение об ограничении насыщения сигнала и позволяет обнаруживать ультразвуковое под летучих условий окружающей среды. В отличие от узкой ширины линии CW схемы, пульс интерферометрии использует источник широкополосный импульсный для освещения резонатор. В этом случае, резонатор действует как полосовой фильтр, передают только те длины волн, которые соответствуют его резонансной частоте, в то время как резонанс смещаетсявновь определяется путем измерения вариации длин волн в оптическом сигнале на выходе резонатора, например с помощью интерферометра Маха-Цандера запертую в квадратуре ^14,15. Схема автоматического сброса используется немедленно восстановить рабочую точку интерферометра в случае, если он потерял из-за чрезвычайной изменчивости условий окружающей среды. Из-за относительно широкой полосе источника, резонансная длина волны остается в освещенной зоны даже при сильных возмущений, что позволяет стабильную работу детектора даже в суровых условиях окружающей среды. Использование когерентного источника на допрос, то есть оптических импульсов, облегчает обнаружение с низким уровнем шума.

Соответствующая система интерферометрии импульсов используется в наших экспериментах показано на рисунке 1. Лазерный импульс для допроса произвел 90 фс импульсов с частотой повторения 100 МГц с выходной мощностью 60 мВт и спектральной ширины свыше 100нм. Оптический фильтр имел спектральную ширину FWHM около 0,4 нм и был настроен на частоту резонанса. После фильтра, оптический усилитель был использован для компенсации значительных потерь в фильтрации. Дополнительная фильтрация была применена после стадии амплификации уменьшить усиленного спонтанного излучения от усилителя. Резонатор используется в наших экспериментах пи-сдвинутый по фазе волокна Брэгг решетки (π-ВБР) ^8, производства Teraxion Инк В частности, для медицинского применения ультразвука зондирования, π-ВБР имеют преимущество, заключающееся в компоненты все волокна, и, таким образом надежные и мало. Рисунок 2 показывает сравнение между размерами оптического волокна, используемого в этой работе и 15 МГц миниатюрных внутрисосудистого ультразвукового (ВСУЗИ) пьезоэлектрический преобразователь. Некоторые альтернативные резонансные подходы обнаружения, такие как микро-кольцевых резонаторов, изготовленных в планарных волноводов, требуют сочетания волокон в компонентавход и выход, либо приводит к более хрупких устройств или препятствуя миниатюризации. В противоположность этому, π-ВБР в волокна компонентов, и не требуют дополнительной муфты волокна. Резонанс в π-ВБР создается пи фазового сдвига в их центре; света в ловушке вокруг пи фазового сдвига по части волокна, что значительно короче, чем длина самой решетки. В наших экспериментах, π-ВБР имел длину 4 мм и коэффициент связи κ = 2 мм ^-1 и его чувствительность была распределена неравномерно по всей его длине, с чувствительность экспоненциально убывает от центра решетки с скоростью κ . Полной ширины половиной максимальной (FWHM) распределения чувствительности (SD) был около 350 мкм. Резонанс ширина решетки определяется как его длине и ее коэффициента связи в соответствии со следующим уравнением:

(1)
где λ является резонансной длины волны и п _эфф является эффективный показатель преломления режиме управляемой в волокне ^8.

Чтобы оценить, насколько детектор π-ВБР подходит для приложений обработки изображений, его пространственно зависимый ответ необходимо измерять в широком диапазоне частот. Тем не менее, эта задача представляется чрезвычайно сложной задачей, когда обычные акустические методы используются. Поэтому мы используем оптико-акустического метода для детектора ультразвуковой характеристики ^16, в которой темная микроскопическая сфера встроен в прозрачный агар служит оптико-акустического точечного источника. В нашем эксперименте микроскопическая сфера имеет диаметр около 100 мкм и освещается высокой мощности наносекундных оптических импульсов с частотой повторения 10 Гц, длительностью импульса около 8 нс и средней мощности 200 мВт. Оптическая энергия откладывается в микроскопическом SPHERES генерирует широкополосные ультразвуковые сигналы вследствие ОА эффекта. Детектор π-FBG переводится относительно микроскопической области, чтобы получить его пространственно зависимой акустический отклик. Рисунок 3 показывает иллюстрацию ОА эксперимента. Как правило, эта методика может быть использована для характеристики различных видов ультразвуковых датчиков.

протокол

1. Оптоакустическая Характеристика π-ВБР детектор

1. Подготовка микроскопической сфере приостановлено в агар:
   1. Смешайте порошок агара (1,3% по весу) дистиллированной водой в стеклянном стакане. Используйте горячей плите магнитно-мешалки устройство для нагрева решение близко к температуре кипения и растворить агар порошок, пока раствор не станет чистой и свободной от пузырьков воздуха. Альтернативно, раствор агара может быть нагрет с помощью обычной микроволновой при перемешивании выполняется вручную с помощью стеклянной мешалки. Вылейте горячий раствор в пластиковых форм, например шприц с его кончика вырезать.
   2. Опрыскивание небольшое количество микроскопических сфер на раствора агара и ждать, пока раствор полностью не затвердеет. Возьмите прочную агар фантом из формы, нажав на поршень.
   3. Просмотр фантом под стереоскопическим микроскопом вырезать небольшой кусочек агара, который содержит один микроскопический сферу.
   4. Повторите шаг 1.1.1 и добавить то агар решение агара кусок, содержащий один микроскопический сферу.
   5. После застывания, вырезать агара фантом под микроскопом такого, что микроскопическая сфера находится близко к поверхности Призрака.
2. Оптоакустическая измерения
   1. Используйте два держателя V-образный паз волокна провести волокна плотно с обеих сторон π-ВБР, и связано держателю право на трехмерной (XYZ) перевода компьютера управлением этапе. Убедитесь, что волокно погружают чтобы дать возможность распространения ультразвука.
   2. Найти приблизительное местоположение чувствительного π-ВБР элемента при освещении различных частей волокна с высокой мощности наносекунд-импульсного лазерного луча. Оптическое поглощение покрытия, однако слабым, создаст сигнал, когда освещение выполняется на π-FBG.
   3. Поместите агар встраиваемый микроскопический сферу непосредственно под π-ВБР. Микроскопическая сфера должна быть видна невооруженным глазом.
   4. Использование этап перевода, выполнить 2D сканирование π-ВБР в плоскости, параллельной к земле, чтобы найти место, где сигнал от микроскопической сфере является сильнейшим и соответствующая задержка кратчайшая.
   5. Выполните последние коррективы в освещении, обеспечивая максимальную мощность на микроскопическом сфере.
   6. Использование этап перевода выполнить 3D сканирование π-ВБР и записывать сигнал для каждой позиции.
   7. Для получения пространственно зависимой частотную характеристику детектора ультразвука, выполнять преобразование Фурье на записанном ультразвуковой сигнал временной области.

2. Оценка надежности и чувствительность результатов деятельности π-FBG извещателя

1. Используйте два держателя V-образный паз волокна провести волокна плотно с обеих сторон π-ВБР и погрузите π-ВБР.
2. Наведите темный тарелку или графитового стержня крепко столкнуться с π-ВБР и осветить его остроумиеч мощных наносекундных импульсов лазерного луча, чтобы создать сильное звуковое поле.
3. Поместите водяной насос внутри бака воды и включите его, чтобы создать быстрые изменения в условиях окружающей среды.
4. Для оценки надежности системы, измерить выход с фиксирующей цепи оказалось как на и вне. При отсутствии блокировки не выполняется, это не возможно точно определить ультразвукового сигнала.
5. Поверните водяной насос выключен.
6. Чтобы оценить преимущество в чувствительности из-за высокой когерентности источника, замените импульсный лазер широкополосный с низкой когерентности источника и повторить акустического измерения. Уменьшение над порядок чувствительности, как ожидается, когда используется источник низкокогерентного.

Результаты

4a и 4б соответственно показывают сигналы и соответствующие им спектры от микроскопической сфере на расстоянии 1 мм от волокна для трех смещения от центра π-ВБР. Смещения приведены в г направлении, как показано на рисунке 3. Ясно, что чувствительность оптически...

Обсуждение

В заключение, новое оптический метод обнаружения ультразвука вводится, который основан на комбинации π-FBG и импульса интерферометрии. Методика особенно подходит для ОА приложений визуализации благодаря прозрачности чувствительного элемента, что позволяет почти произвольные узоры о?...

Материалы

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