Geniş bant Tıbbi Görüntüleme Uygulamaları Ultrason Optik Dedektörü

Özet

Genellikle istikrarlı çevresel koşullar gerektirdiğinden ultrason optik algılama birçok görüntüleme senaryolarda pratik değildir. Biz kısıtlayıcı senaryolar, örneğin damar içi uygulamalarda optoacoustic görüntüleme için uygun minyatür ve duyarlılık düzeyleri ile uçucu ortamlarda ultrason algılama için optik tekniği göstermektedir.

Özet

Son zamanlarda optoacoustic görüntüleme alanında gösterilmiştir gibi ultrason optik sensörler, piezoelektrik teknikleri için umut verici bir alternatiftir. Tıbbi uygulamalarda, optik algılama teknolojisinin önemli sınırlamalar bir saptanmasını saturate çevre koşulları, basınç ve sıcaklık değişiklikleri, örneğin, olan duyarlılığıdır. Buna ek olarak, klinik ortam genellikle sensörün boyut ve sağlamlığı ile ilgili sıkı sınırlar. Bu çalışmada, darbe interferometrik ve fiber esaslı optik algılama kombinasyonu ultrason tespiti için gösterilmiştir. Tüm fiber teknolojisinin kullanımı, damar içi görüntüleme gibi son derece zorlu için tıbbi uygulamalar ile uyumlu, mekanik olarak esnek bir algılama elemanı neden olur oysa Pulse interferometre, çevre koşullarında hızla varyasyonlar mevcudiyetinde okuma sisteminin güçlü bir performans sağlar. Kısa bir sensör uzunluğu elde etmek için birpi-faz kaydırılmış fiber Bragg ızgarasının 350 um'lik etkili uzunluğu boyunca ışığı tutucu bir rezonatör olarak hareket eden, kullanılır. Yüksek bant genişliği etkinleştirmek için, algılayıcı damar içi görüntüleme gibi görüntüleme çevresel geometrilerde son derece faydalıdır ultrason sideway tespiti için kullanılır. Bir görüntüleme optoacoustic kurulum farklı pozisyonlarda akustik nokta kaynaklar için sensörün cevap belirlemek için kullanılır.

Giriş

Ultrason dedektörler birçok görüntüleme uygulamalarında önemli bir rol oynamaktadır. Geleneksel olarak, ultrason gerilim sinyalleri ¹ içine basınç dalgalarını dönüşümü piezoelektrik dönüştürücüler tarafından tespit edilir. Optoacoustic görüntülemede, ultrason, yüksek güç modüle edilmiş ışık ^2-6 ile nesne aydınlatarak bir termal genleşme işlemi ile üretilir. Piezoelektrik transdüserler optoacoustic uygulamalarında tercih edilen yöntem olsa da minyatür piezoelektrik transdüktörleri genellikle düşük hassasiyet ile karakterize edilir, çünkü bunların kullanımı genellikle temel olarak minyatür engellemektedir. Piezoelektrik dönüştürücüler optik opak beri Ayrıca, onlar ciddi kullanılabilir görüntüleme yapılandırmaları için olanaklarını sınırlayan, görüntülü nesneye ışık doğuma engel olabilecek. Transdüsere ​​nesneden geri saçılan ışık da ultrason uygun algılama sınırı nedeniyle optik kaynaklı parasit için görüntüleme sisteminin tasarımını zorlaştırmaktadıric transdüktörün ^7'de işaret eder.

Ultrasonun Optik dedektörler optoacoustic görüntüleme senaryolarda ^8-12 pek çok avantajlar sunmaktadır piezoelektrik dönüştürücüler için olası bir alternatif olarak kabul edilmiştir: Genellikle saydam ve genellikle duyarlılık kaybı olmadan minyatür edilebilir. Optik detektör çalışma prensibi nedeniyle ultrason varlığına bağlı olarak optik bir ortam içinde oluşturulan dakika deformasyon interferometrik tespit edilmesidir. Çoğu zaman, optik rezonatörler optik sinyalin faz üzerinde deformasyon etkisini artırmak, böylece, uzun süreli olarak, etkilenen ortam içinde ışık yakalama ile saptama hassasiyetini artırmak için kullanılır. Bu gibi durumlarda, bir optik algılama düzenleri doğrudan rezonatöründe deformasyonları yapı ile ilgili rezonans dalgaboyu izleme varyasyonlar, dayanmaktadır. En sık olarak, dar çizgi genişliği sürekli dalga (CW) teknikleri, CW lazer inci ayarlı olduğu kullanılıre rezonans dalgaboyu. Rezonans küçük değişimleri bu şekilde kolayca izlenebilir nakledilen / yansıyan lazer ışığı, yoğunluğuyla varyasyonlara neden rezonans içindeki lazer dalga boyunun göreli konumunu değiştirmek dalga boyu. Rezonans kaymalar çok güçlü iseniz Ancak, örneğin rezonans etkili dedektörü ¹³ doyurarak, lazerin dalga boyu uzak tamamen kayabilir, basınç, sıcaklık, veya titreşimler büyük değişimler nedeniyle.

Darbe enterforemetre ¹⁴ sinyal doygunluk sınırlaması için bir çözüm sunar ve uçucu çevre koşullarında ultrason algılanmasını sağlar. Aksine CW düzenleri-LineWidth daraltmak için, darbe interferometri rezonatorü aydınlatmak için geniş bant darbe kaynağı kullanır. Rezonans değiştirir ise bu durumda, rezonatör, rezonans frekansına karşılık gelen dalga boylarında yalnızca verici, bir bant geçiş filtresi gibi hareket eden bir^14,15 yeniden kareleme kilitli bir Mach-Zehnder interferometresi kullanılarak, örneğin, rezonatörün üretiminin, optik sinyal dalga boyu değişimlerin ölçülmesi ile tespit edildi. Otomatik reset devresi hemen çevre koşulları nedeniyle aşırı değişime kaybolması durumunda interferometreye çalışma noktasına geri yüklemek için kullanılır. Çünkü kaynağının nispeten geniş bir bant genişliği, rezonans dalgaboyu da zor çevre koşulları altında kararlı detektör çalışma sağlayan, daha güçlü düzensizliklerin altında ışıklı bant içinde kalır. Sorgulama, yani optik bakliyat, için tutarlı bir kaynak kullanımı düşük gürültü saptanmasını kolaylaştırır.

Deneylerde kullanılan karşılık gelen pulse interferometre sistemi, Şekil 1 'de gösterilmiştir. Sorgulama için kullanılan darbeli bir lazer, 100 den fazla 60 mW ve spektral genişliği çıkış gücü ile 100 MHz frekansda 90 FSEC darbe üretilirnm. Optik filtre, yaklaşık 0.4 nm'lik bir spektral FWHM genişliğe ve rezonans frekansına ayarlı edildi. Filtrenin ardından, bir optik amplifikatör filtreleme önemli bir kayıp telafi etmek için kullanıldı. Ek filtreleme amplifikatör güçlendirilmiş spontan emisyonunu azaltmak için amplifikasyon aşamasından sonra uygulandı. Deneylerde kullanılan rezonatör özellikle ultrason algılamanın tıbbi uygulama için Teraxion Inc tarafından imal edilmiş bir pi-faz kaydırılmış fiber Bragg ızgarasının (π-FBG) ^8, olduğu, π-FBGs, her türlü fiber parçaları olmanın yararı vardır ve böylece sağlam ve küçük. Şekil 2, bu çalışmada kullanılan fiber optik boyutları ve bir 15 MHz minyatür intravasküler ultrason (IVUS) piezoelektrik transdüser arasındaki bir karşılaştırmayı göstermektedir. Bu tür düzlemsel dalga kılavuzlarında fabrikasyon mikro halka rezonatörlerin gibi bazı alternatif rezonans-tabanlı algılama yaklaşımlar, bileşenin, birleştirme lifleri gerektirirgiriş ve çıkış, daha kırılgan cihazlara açan veya minyatürleşmeye engelleyen ya. Bunun aksine, π-FBGs in-lif bileşenleri olan ve ek elyaf bağlama gerektirmez. Π-FBGs içindeki rezonans kendi merkezinde pi faz kayması oluşturulur; Işık ızgaranın kendisinin uzunluğu daha kısa olan fiberin kısmı boyunca pi faz kayması etrafında tutulur. Deneylerde, π-FBG 4 mm ve κ = 2 mm olan bir bağlama katsayısı bir uzunluğa sahip ^-1 ve duyarlılık duyarlılık katlanarak κ bir oran ile, ızgara merkezinden azalan, uzunluğu boyunca muntazam olmayan biçimde dağıtılmıştır . Duyarlılık dağılımı (SD) tam genişlik-yarı-maksimum (FWHM) yaklaşık 350 mikron idi. Izgarasının rezonans genişliği, uzunluğu ve aşağıdaki denkleme uygun olarak bir bağlama katsayısı her ikisi tarafından belirlenmektedir:

(1)
λ rezonans dalgaboyu ve n _eff lifin ⁸ kılavuzlanır modunun etkin kırılma indisidir.

Π-FBG detektör görüntüleme uygulamaları için uygun olup olmadığını değerlendirmek için, kendi uzamsal bağımlı tepki geniş bir frekans bandı üzerinden ölçülebilen gerekmektedir. Ancak, bu görev, geleneksel akustik teknikler kullanıldığında son derece zordur. Bu nedenle, şeffaf agar gömülü koyu mikroskopik bir küre optoacoustic nokta kaynağı olarak hizmet ettiği ultrason detektörü ¹⁶ karakterizasyonu için bir optoacoustic bir yöntem kullanır. Bizim deneyde, mikroskobik küre yaklaşık 100 mikron çapındadır ve 10 Hz tekrarlama oranı, yaklaşık 8 NSEC darbe süresi ve 200 mW ortalama güç tüketimi ile yüksek güç nanosaniye optik darbeleri ile aydınlatılır. Mikroskopik SPH çökelmiş optik enerjieres optoacoustic etkisi nedeniyle bant ultrason sinyalleri üretir. Π-FBG dedektör uzamsal bağımlı akustik tepki elde etmek için mikroskobik alanda nispeten çevrilmiştir. Şekil 3, bu deney optoacoustic bir gösterimini göstermektedir. Genel olarak, bu teknik, ultrason detektörlerin farklı karakterize etmek için kullanılabilir.

Protokol

Π-AKŞ Dedektörü 1. Optoacoustic Karakterizasyonu

1. Agar içinde süspansiyon haline getirilmiş bir mikroskobik küre hazırlanması:
   1. Bir cam kap içinde damıtılmış su ile agar tozu (ağırlıkça% 1.3) karıştırın. Kaynama sıcaklığına yakın çözüm ısı ve çözüm hava kabarcıkları açık ve serbest hale gelinceye kadar agar tozu eritmek için sıcak bir plaka manyetik karıştırıcı aygıtı kullanın. Seçenek olarak ise, agar çözelti el ile cam bir karıştırıcı kullanılarak gerçekleştirilen karıştırma işlemi ile bir geleneksel mikrodalga kullanılarak ısıtılabilir. Plastik kalıp, ucu ile, örneğin şırınga içine sıcak çözüm dökün kesip.
   2. Agar çözüm mikroskobik kürelerin küçük bir miktar serpin ve çözüm tamamen sertleşene kadar bekleyin. Pistonu iterek kalıp dışarı katı agar fantom atın.
   3. Bir stereoskopik mikroskop altında Phantom View, tek bir mikroskobik küre içeren agar küçük bir parça kesti.
   4. 1.1.1 adımı tekrarlayın ve t eklemekAgar çözeltisi bir mikroskobik küre içeren katı bir agar parçası o.
   5. Sertleştikten sonra, mikroskobik alan yakın bir fantom yüzeyine bulunduğu böyle mikroskop altında agar hayalet kesti.
2. Optoacoustic ölçümü
   1. Π-FBG her iki tarafında sıkı bir şekilde tutmak için, iki lif v-oluklu fiber sahipleri kullanın ve bir üç boyutlu (XYZ) için, bilgisayar kumandalı aşamasına bağlı tutucu. Lif ultrason yayılmasını sağlamak için batık olduğundan emin olun.
   2. Yüksek güç nanosaniye-pulse lazer ışını ile elyafın farklı bölümlerini aydınlatarak algılama π-AKŞ elemanın yaklaşık konumunu bulun. Aydınlatma π-FBG'de gerçekleştirildiğinde, bununla birlikte zayıf bir kaplamanın optik absorpsiyon, bir sinyal oluşturur.
   3. Doğrudan π-FBG altında agar-gömülü mikroskobik küre yerleştirin. Mikroskobik küre çıplak gözle görünür olmalıdır.
   4. Çeviri aşamasında kullanarak, mikroskobik alandan sinyal güçlü ve karşılık gelen zaman gecikmesi kısa bir yerini bulmak için yere paralel düzlemde π-AKŞ bir 2D tarama gerçekleştirin.
   5. Mikroskobik küre maksimum güç sağlamak için aydınlatma için son ayarlamalar yapın.
   6. Çeviri aşamasında kullanarak π-AKŞ bir 3D tarama ve her pozisyon için sinyali kaydedebilirsiniz.
   7. Ultrason detektörün uzamsal bağımlı frekans yanıtı elde etmek için, Fourier kaydedilen zaman-domain ultrason sinyaline dönüştürmek gerçekleştirin.

Robustness ve π-AKŞ Dedektörü Performansının Duyarlılık 2. Tahmini

1. Π-AKŞ her iki tarafında sıkıca lif tutun ve π-FBG batırmak için iki v-oluklu fiber tutucuları kullanın.
2. Π-FBG yüz sturdily karanlık bir tabak ya da bir grafit çubuk yerleştirin ve bu zekâ aydınlatmakgüçlü bir akustik alan oluşturmak için h yüksek güç nanosaniye-pulse lazer ışını.
3. Su tankı içinde su pompasını yerleştirin ve çevre koşullarına hızlı varyasyonlarını oluşturmak için açın.
4. Sistemin sağlamlığını tahmin etmek için, kilitleme devresi ile çıkışını ölçmek hem açık ve kapalı. Bir kilitleme gerçekleştirildiğinde, doğru bir ultrason sinyalini tespit etmek mümkün değildir.
5. Su pompasını kapatın.
6. Nedeniyle kaynağının yüksek tutarlılık duyarlılık olarak fayda tahmin etmek için, düşük bir tutarlılık kaynağı ile geniş-bant darbe lazer değiştirmek ve akustik ölçümü tekrarlayın. Düşük tutarlılık kaynağı kullanıldığı zaman hassasiyet büyüklük sırası üzerinde bir azalma beklenmektedir.

Sonuçlar

Şekiller 4a ve 4b sırasıyla π-FBG merkezinden üç uzaklıklar için elyaftan 1 mm'lik bir mesafede mikroskobik alanda gelen sinyalleri ve bunlara karşılık gelen spektrumlarını göstermektedir. Şekil 3'te gösterildiği gibi, uzaklıklar, z yönünde verilmiştir. Açıktır ki, yüksek frekanslı ultrason (f> 6 MHz) için optik detektörün hassasiyeti anizotropik olan ve π-FBG merkez doğrudan mikroskobik küre üzerinde olduğunda en yüksek old...

Tartışmalar

Sonuç olarak, ultrason saptanması için bir yöntem, yeni optik bir π-FBG ve nabız interferometrik bir kombinasyonu ile, hangi sokulur. Teknik özellikle neredeyse rasgele nesne aydınlatma desenleri sağlayan algılama elemanı, şeffaflık sayesinde optoacoustic görüntüleme uygulamaları için uygundur. Bunun aksine, standart piezoelektrik göre ultrason algılayıcılar opak ve bu nedenle büyük görüntüleme kurulumları yol açan, görüntülü nesneye optik yolların bazıları bloke eder. Geliştirilen o...

Malzemeler

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