Entwicklung und Erprobung hoch empfindlicher optischer Detektoren für Ultraschall
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Bereich der biomedizinischen Bildgebung haben Verfahren, die auf dem optoakustischen Effekt beruhen, mittlerweile einen festen Platz. Dies betrifft vor allem Anwendungen in der Mikroskopie und der Tomographie, in denen die Vorteile des nicht-ionisierenden und nicht auf Kontrastmittel oder Fluorophore angewiesenen Verfahrens zur Geltung kommen. Bislang erfolgt die Detektion der akustischen Signale vorrangig mithilfe von piezoelektrischen Elementen, welche den besten Kompromiss aus Sensitivität und Bandbreite auf der einen Seite und der Komplexität der Herstellung auf der anderen Seite darstellen. Ultraschalldetektoren, die auf optischen Interferometern beruhen, zeigen allerdings eine höhere Sensitivität und Bandbreite und könnten darüber hinaus den Weg für neue optoakustische Anwendungen, wie beispielsweise in der Endoskopie, ebnen. Die Entwicklung und Demonstration von optischen Ultraschalldetektoren mit verbesserten Kennwerten und das Bestreben, diese Detektoren benutzerfreundlich und leicht bedienbar zu gestalten, waren die Kernziele des vorliegenden Projektes. Als optische Resonatoren dienten dabei pi-FBGs (pi-shifted Fiber Bragg Gratings), welche in standardisierten optischen Glasfasern implementiert sind. Der große Vorteil von pi-FBGs ist ihre extrem kleine zylindrische Bauart mit Durchmessern von 0.125 mm und ihr hoher Q-faktor (Resonanzgüte), der eine hohe Sensitivität gegenüber akustischen Signalen ermöglicht. Um ein besseres Verständnis der Interaktion zwischen Ultraschall und dem Resonator zu erhalten, wurden experimentelle Untersuchungen und Simulationen für verschiedene Faser-Geometrien und –Materialien durchgeführt. Die hier gewonnenen Erkenntnisse sind unter anderem in ein Teilprojekt eingeflossen, das darstellt, wie ein akustischer Reflektor leicht handhabbar in derzeit gängige Mikroskope eingefügt werden kann und so Ko-Implementierung von optoakustischer Bildgebung ermöglicht. Ein weiterer Schritt zum besseren Verständnis der Resonatoren war deren Charakterisierung. Hier wurden pi-FBGs zunächst mit piezoelektrischen Ultraschalldetektoren verglichen, welche eine ähnliche Bauform hatten. Es zeigte sich, dass pi-FBGs trotz ihres kleineren Formfaktors eine höhere Sensitivität als piezoelektrische Detektoren besitzen. Messungen mit mikroskopisch kleinen Absorbern gaben erstmals Einblicke in die mögliche Bandbreite der pi-FBGs für optoakustischen Anwendungen. Da die Anzahl optischer Detektoren aufwandsbedingt geringer und die Größe der individuellen Detektorelemente im Falle optischer Sensoren kleiner ist, wurden im Rahmen des Projektes Algorithmen entwickelt die eine Bildrekonstruktion unter diesen atypischen Bedingungen ermöglichen. Zunächst wurden Simulationen durchgeführt, die als Grundlage für das spätere Design von Sensorgruppen und –geometrien dienen sollten. Während dieser Arbeiten wurde eine Reihe technischer Herausforderungen ersichtlich, die eine direkte Umsetzung verhinderten: insbesondere die Skalierung und Ansteuerung der benötigten optischen Demodulatoren erwies sich als nicht praktikabel. Basierend auf den bisher gewonnenen Erkenntnissens werden wir die simultane Auslesung von mehreren pi-FBGs auch nach Abschluss des vorliegenden Projektes weiter erforschen. Optische Interferometer sind erfahrungsgemäß anfällig für Vibrationen, thermische Veränderungen und andere Störsignale. Zur Beantwortung der Frage, ob die hier verwendeten Resonatoren auch als Ultraschalldetektoren über optimierte Laborbedingungen hinaus eingesetzt werden können, wurden pi-FBGs unter anderem in optoakustischen Mikroskopen getestet. Dabei stellte sich heraus, dass die optischen Detektoren besonders immun gegenüber elektromagnetischen Störsignalen sind und somit zur Detektion magnetoakustischer Signale genutzt werden können. Somit ermöglichte also erst der Einsatz von pi-FBGs die direkte Detektion magnetoakustischer Signale. Die gewonnenen Ergebnisse sind zudem äußerst vielversprechend und bilden die Basis für Folgeprojekte zur Weiterentwicklung pi-FBG basierter Ultraschalldetektoren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Characterization of the spatio-temporal response of optical fiber sensors to incident spherical waves,” J. Acoust. Soc. Am. 135(4), 1853–1862 (2014)
Veres, I. A., Burgholzer, P., Berer, T., Rosenthal, A., Wissmeyer, G., Ntziachristos, V.
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“Sensitive interferometric detection of ultrasound for minimally invasive clinical imaging applications,” Laser Photonics Rev. 8(3), 450–457 (2014)
Rosenthal, A., Kellnberger, S., Bozhko, D., Chekkoury, A., Omar, M., Razansky, D., Ntziachristos, V.
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“Sparsity-based acoustic inversion in cross-sectional multiscale optoacoustic imaging.,” Med. Phys. 42(9), 5444–5452 (2015)
Han, Y., Tzoumas, S., Nunes, A., Ntziachristos, V., Rosenthal, A.
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“All-optical optoacoustic microscope based on wideband pulse interferometry,” Opt. Lett. 41(9), 1953–1956 (2016)
Wissmeyer, G., Soliman, D., Shnaiderman, R., Rosenthal, A., Ntziachristos, V.
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“Magnetoacoustic Sensing of Magnetic Nanoparticles,” Phys. Rev. Lett. 116(10), 108103 (2016)
Kellnberger, S., Rosenthal, A., Myklatun, A., Westmeyer, G., Sergiadis, G., Ntziachristos, V.
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“Optoacoustic image reconstruction and system analysis for finite-aperture detectors under the wavelet-packet framework,” J. Biomed. Opt. 21(1), 16002 (2016)
Han, Y., Ntziachristos, V., Rosenthal, A.
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“Quantitative intravascular biological fluorescence-ultrasound imaging of coronary and peripheral arteries in vivo,” Eur. Hear. J. – Cardiovasc. Imaging (2016)
Bozhko, D., Osborn, E. A., Rosenthal, A., Verjans, J. W., Hara, T., Kellnberger, S., Wissmeyer, G., Ovsepian, S. V., McCarthy, J. R., et al.
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“Optoacoustic microscopy based on pi-FBG ultrasound sensors,” Proc. SPIE 10064, 1006423-1-7 (2017)
Wissmeyer, G., Shnaiderman, R., Soliman, D., Ntziachristos, V.
