DE60031677T2 - Sonde aus optischer faser für photoakustische materialanalyse - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Optische-Faser-Sonden zur Anregung einer Probe, um Signale zur Analyse zu erzeugen. Diese Signale können photoakustische und/oder photothermische Wellen umfassen.
• Derartige Sonden wurden bereits zum Charakterisieren von arteriellem Gewebe vor einer Behandlung verengter Blutgefäße, z.B. durch ein Atherom verursacht, vorgeschlagen. Gepulste Lasersignale wurden als Anregungssignal vorgeschlagen, die zur Erzeugung eines akustischen Signals durch Wärmeausdehnungseffekte in der Probe führen. Anregungssignale unterschiedlicher Wellenlängen wurden vorgeschlagen, um eine photoakustische Signatur zu erzeugen, die unterschiedliche Arten von Informationen bezüglich der Probe vermittelt.
• Beispielsweise hat man festgestellt, dass die photoakustischen Signale, die durch eine Laseranregung einer Wellenlänge um 450 nm (z.B. 436 und 461 nm) erzeugt werden, analysiert werden können, um das Vorliegen eines Atheroms auf der Basis der verschiedenen Dämpfungen des Anregungssignals in dem Atherom und in normalem Gewebe nachzuweisen. Alternativ dazu kann ein Anregungssignal einer längeren Wellenlänge, z.B. 530 nm, verwendet werden, um eine Dickenmessung der Probe zu ermöglichen. Bei dieser Wellenlänge durchdringt das Anregungssignal die Probe, und eine Zeitablaufanalyse der an den Grenzen von Gewebeschichten erzeugten Signale ermöglicht, dass eine Dickenberechnung durchgeführt wird.
• Eine Analyse von arteriellem Gewebe unter Verwendung einer gepulsten Laseranregung, um akustische und thermische Signale zu erzeugen, wird in dem Artikel „Characterization of post mortem arterial tissue using time-resolved photoacoustic spectroscopy at 436, 461 and 532 nm" in Phys. Med. Biol. 42 (1997), Seiten 177–198, ausführlich erläutert.
• Ein Entwurf einer Optische-Faser-Sonde, die für eine Probenanalyse gemäß der obigen Beschreibung geeignet ist, ist in dem Artikel „Optical fiber photoacoustic-photothermal probe", der in Optics Letters Vol. 23, Nr. 15 vom 1. August 1998 veröffentlicht ist, offenbart. Die Sonde umfasst eine optische Multimodenfaser mit einem transparenten Fabry-Perot-Polymerfilmsensor, der an ihrem distalen Ende angebracht ist und der in Kontakt mit der zu analysierenden Probe platziert ist. Optische Pulse werden in die Faser eingekoppelt und in dem Zielobjekt absorbiert, was zur Erzeugung von thermoelastischen Ultraschallwellen zum Nachweis durch den Sensor führt.
• Ein Problem bei dem oben beschriebenen Sondenentwurf besteht darin, dass die Wellenlänge des erzeugten akustischen Signals im Vergleich zu dem Durchmesser der Erfassungsregion, der durch den Kerndurchmesser der Multimodenfaser definiert ist, gering sein kann. Folglich erfasst das Interferometer eventuell nicht Signale mit schrägen Eintrittswinkeln, beispielsweise Flankenwellesignale, die auf Grund von Beugungseffekten entstehen.
• Gemäß der Erfindung ist eine Sonde zur Anregung einer Probe, um ein akustisches Signal zu erzeugen und zur Analyse des Signals vorgesehen, umfassend: eine Anregungsquelle, die zur Bereitstellung eines gepulsten Laserausgangs angepasst ist; eine optische Faser mit einem Kern und einem Außenmantel, wobei der gepulste Laserausgang an den Kern an ein erstes Ende der optischen Faser abgegeben wird, wobei das zweite Ende der optischen Faser mit einem Interferometer-Film bereitgestellt ist, der im Wesentlichen für die Laserpulse transparent ist, wobei ein in der Probe erzeugtes Signal die Dicke des Films moduliert; und einen Lichtquellen- und Detektoraufbau, der zur Bereitstellung eines Interferometer-Signals (24) an den Kern an das erste Ende der Faser und zum Nachweis des vom Kern empfangenen modulierten reflektierten Signals angepasst ist, wobei der Kern einen zentralen inneren Kern und einen konzentrischen äußeren Kern umfasst, dass der gepulste Laserausgang an den äußeren Kern an das erste Ende der optischen Faser abgegeben wird und dass der Lichtquellen- und Detektoraufbau zur Bereitstellung eines Interferometer-Signals an den inneren Kern an das erste Ende der Faser und zum Nachweis des vom inneren Kern empfangenen modulierten, reflektierten Signals angepasst ist.
• Die Sonde der Erfindung weist einen kleinen inneren Kern auf, der als Erfassungsteil der Sonde fungiert, weist jedoch einen größeren konzentrischen äußeren Kern zum Führen der Laseranregungspulse auf. Die Sonde ist somit in der Lage, das erforderliche Energiesignal zur Anregung der Probe zu führen, liefert jedoch auch einen durch den zentralen inneren Kern definierten kleinen Erfassungsbereich. Dies erhöht den Frequenzbereich von Signalen, die bei nicht-senkrechten Einfallswinkeln erfasst werden können. Demgemäß wird die Sensibilität der Vorrichtung in Bezug auf Veränderungen der zeitlichen Charakteristika des Signals erhöht. Das Signal kann eine akustische Welle oder eine thermische Welle umfassen.
• Vorzugsweise ist der innere Kern eine Einmodefaser, die einen Durchmesser von weniger als 10 μm und vorzugsweise um etwa 6 μm aufweisen kann. Dies kann zu einer Analysesonde führen, die einen aktiven Bereich von weniger als 10 μm aufweist. Dadurch wird ermöglicht, dass die Analysefunktion der Sonde auf Ebene-Wellen-Komponenten und Flankenwellen-Komponenten des erzeugten akustischen Signals anspricht.
• Eine mögliche Verwendung der Sonde ist bei Geräten zur medizinischen Untersuchung zur Charakterisierung von biologischem Gewebe, beispielsweise arteriellem Gewebe.
• Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf und gemäß der Darstellung in der beiliegenden Zeichnung be schrieben, die eine Sonde der Erfindung zeigt, die zum Analysieren einer Probe verwendet wird.
• Die Figur zeigt eine Probe 10 zur Analyse unter Verwendung der Sonde 12 der Erfindung. Die Sonde 12 umfasst eine optische Faser 14, die eine gespaltene und polierte Endfläche 16 aufweist, an der ein Polymer-Interferometer-Film 18 vorgesehen ist. Der Polymerfilm 18 ist transparent, so dass Laseranregungspulse, die in der Figur schematisch als Pfeile 20 dargestellt sind, durch den Film 18 in die Probe 10 eingebracht werden können. Diese Pulse 20 können im Nanosekunden-, Sub-Millijoule-Bereich liegende optische Pulse umfassen, die in der biologischen Probe 10 absorbiert werden, wodurch thermische Wellen mit einer typischen Dauer in der Größenordnung einiger hundert Millisekunden erzeugt werden. In der Probe 10 erfolgt eine rasche Wärmeausdehnung, die thermoelastische Ultraschallwellen mit einer typischen Dauer von mehreren hundert Nanosekunden erzeugt. Die thermoelastischen Wellen umfassen ein akustisches Signal 22, das die Dicke des Films 18 moduliert. Selbstverständlich können je nach der Beschaffenheit der in der Analyse befindlichen Probe andere Anregungssignale verwendet werden.
• Das durch den Film 18 definierte Interferometer wird durch Licht beleuchtet, das von einer eine niedrige Leistung umfassenden Kontinuierliche-Welle-Laserquelle in die Faser eingekoppelt wird. Die akustische Welle 22 moduliert die Dicke des Films 18 und somit die Optische-Phase-Differenz zwischen den Reflexionen von den zwei Seiten des Films. Desgleichen modulieren die thermischen Wellen die optische Dicke des Films, die infolge der Optische-Phase-Differenzen ebenfalls erfassbar ist. In jedem Fall wird eine entsprechende Modulation einer Intensität in dem von dem Erfassungsfilm abreflektierten Licht erzeugt, die dann erfasst wird. Die Reflexionen erfolgen an den zwei Seiten des Films 18 infolge der Nichtübereinstimmung der Brechungsindizes an den zwei Seiten des Films. Wellenlängenselektive dielektrische reflektierende Beschichtungen können auf die Seiten des Films 18 aufgebracht werden, die für die Anregungspulse transparent, jedoch bezüglich der Wellenlänge des Kontinuierliche-Welle-Signals reflektierend sind. In der Figur sind auf schematische Weise ein Einfallslichtsignal 24 und die zwei reflektierten Signale 26, 28 gezeigt. Die Laseranregungspulse 20 werden durch einen frequenzverdoppelten Qgeschalteten Nd:YAG-Laser, der bei 532 nm arbeitet, oder durch einen abstimmbaren Farbstofflaser erzeugt. Der Laser stellt einen Bestandteil einer Anregungsquelle und eines Lichtquellen-/Detektoraufbaus 30 dar, der auch die Kontinuierliche-Welle-Ausgabe zur Abfragung des Interferometers liefert. Diese Kontinuierliche-Welle-Ausgabe kann von einer abstimmbaren Kontinuierliche-Welle-Quelle wie z.B. einer Laserdiode abgeleitet werden.
• Die Anregungspulse 20 können eine Wellenlänge aufweisen, die in Abhängigkeit von der gewünschten Charakteristik der zu analysierenden Probe 10 und von der Beschaffenheit der Probe ausgewählt wird. Beispielsweise können die Pulse eine Wellenlänge aufweisen, die derart ist, dass sie die gesamte Dicke der Probe 10 durchdringen. In diesem Fall werden an den zwei Oberflächen der Probe 10 thermoelastische Wellen erzeugt, und der Detektoraufbau kann dann ermöglichen, dass die Dicke der Probe berechnet wird. Alternativ dazu könnte eine Anregungswellenlänge ausgewählt werden, um je nach den Dämpfungscharakteristika der Probe 10 unterschiedliche thermoelastische Signale zu erzeugen, wodurch eine Bedienperson in die Lage versetzt werden kann, zwischen normalem und abnormalem biologischem Gewebe, z.B. zwischen normalem und abnormalem arteriellem Gewebe, zu unterscheiden.
• Der Detektoraufbau der Einheit 30 kann eine Siliziumstift-Photodiode umfassen, deren Ausgabe vorzugsweise an einem Oszilloskop angezeigt wird.
• Der Aufbau der Sonde ist in dem oben beschriebenen Umfang bekannt. Gemäß der Erfindung umfasst die optische Faser 14 einen zentralen inneren Kern 40, einen konzentrischen äuße ren Kern 42 und einen Außenmantel 44. Derartige konzentrische Doppelkernfasern sind für eine Verwendung bei anderen Anwendungen, z.B. Optische-Faser-Laser und -Laserverstärker, bekannt. Das Verfahren zum Herstellen einer derartigen Faser wird deshalb nicht beschrieben. Die gepulste Laserausgabe 20 wird durch die Einheit 30 an den äußeren Kern 42 geliefert, wohingegen das Abfragesignal 24 durch die Einheit 30 an den inneren Kern 40 geliefert wird. Das durch den Interferometer-Film 18 gelieferte modulierte reflektierte Signal wird an dem inneren Kern 40 entlang nach unten zu dem Detektorteil der Einheit 30 transmittiert.
• Die Punktgröße der abfragenden Kontinuierliche-Welle-Quelle wird dahin gehend fokussiert, mit dem Kerndurchmesser der inneren Faser übereinzustimmen, und die Punktgröße der Anregungspulse stimmt mit dem Durchmesser der äußeren Faser überein. Eine gewisse Energie von den Anregungspulsen bewegt sich an dem zentralen Kern nach unten; jedoch befähigt die Auswahl unterschiedlicher Wellenlängen für das Anregungssignal und das Abfragesignal den Detektor 30, unter Verwendung einer Spektralanalyse zwischen diesen Signalen zu unterscheiden.
• Herkömmliche Vorrichtungen können dazu verwendet werden, die Anregungs- und Abfragesignale in die Faser einzukoppeln, beispielsweise unter Verwendung von halbversilberten Spiegeln, um die Signale von den zwei Quellen zu kombinieren.
• Der innere Kern 40 definiert vorzugsweise eine Einmodefaser, wobei der äußere Kern 42 als Mantel des inneren Kerns fungiert. Zu diesem Zweck weist der innere Kern 40 einen höheren Brechungsindex auf als der äußere Kern 42. Der äußere Kern 42 ist in der Lage, Signale einer höheren Energie zu führen, und der umgebende Mantel 44 weist einen geringeren Brechungsindex auf als der äußere Kern 42.
• Der innere Kern 40 weist vorzugsweise einen Durchmesser von 5–10 μm auf, wohingegen der äußere Kern einen Durchmesser von etwa 250 μm aufweist.
• Die Verwendung eines physisch kleinen inneren Kerns, vorzugsweise Einmode-Kerns, als Transportmedium für die Interferometer-Signale ermöglicht, dass die Erfassungsvorrichtung einen kleinen aktiven Bereich aufweist. Dies befähigt die Vorrichtung, Eingangssignale einer großen Bandbreite von Wellenlängen in nicht-senkrechten Einfallswinkeln zu erfassen. Eingangssignale, die in einem Winkel zu der Längsachse des Sensors in den Sensor eintreten, werden über den aktiven Bereich des Sensors hinweg integriert, und folglich verbessert ein kleinerer aktiver Bereich die richtungsbezogenen Charakteristika des Sensors. Das Anregungssignal bewirkt, dass die Probe Ebene-Wellen- und Flankenwellen-Komponenten erzeugt. Die Flankenwellen-Komponente ist eine Verdünnungswelle, die an der äußeren Flanke der Hüllkurve des Anregungssignals erzeugt wird. Die Flankenwellen- und Ebene-Wellen-Komponenten führen unterschiedliche Informationen bezüglich der Probe, die gerade analysiert wird. Die Sonde der Erfindung ermöglicht, dass die Flankenwellen-Komponenten, die in einem schrägen Winkel in die Sonde eintreten, auf Grund des kleinen aktiven Bereichs, der die Bandbegrenzung der Sondenreaktion verringert, erfasst werden. Die Flankenwellen-Komponenten werden immer in einem schrägen Winkel in die Sonde eintreten, ungeachtet der Richtung, in die die Sonde gewandt ist, da sie aus der Flanke des durch die Sonde erzeugten Anregungssignals resultieren. Ferner ermöglicht die physische Beabstandung zwischen dem Äußeren des äußeren Kerns und dem inneren Kern, dass die Sonde die Ebene-Wellen- und Flankenwellen-Signale von dem durch die Sonde empfangenen kombinierten Signal trennt. Diese Trennung kann mittels einer zeitlichen Analyse erzielt werden.
• Die in der Probe 10 erzeugten akustischen Signale 22 können üblicherweise Frequenzen von bis zu 30 MHz aufweisen, und für akustische Signale, die sich in Süßwasser bewegen, entspricht dies einer Wellenlänge von 47 μm. Vorzugsweise beträgt der aktive Bereich des Sensors somit weniger als 20 μm, so dass der Sensor auf akustische Signale von 30 MHz ansprechen kann. Die Erfassungsbandbreite überschreitet dann den Frequenzbereich des Eingangssignals, wobei der Sensor eine in alle Richtungen gerichtete Reaktion aufweist.
• Eine Einmodefaser ist nicht in der Lage, die benötigten Qgeschalteten Laserpulse zur Anregung der Probe zu führen, und diese sind in dem äußeren Kern 42 vorgesehen. Der größere Bereich des äußeren Kerns 42 ermöglicht, dass eine Anregungswelle über einen viel größeren Bereich als den durch den zentralen inneren Kern 40 definierten Sensorbereich in die Probe 10 eingebracht wird.
• Der kleine aktive Bereich des Interferometers ermöglicht auch die Herstellung eines Polymerfilms 18, der über den interessierenden Bereich des Sensors hinweg extrem parallele und gleichmäßige gegenüberliegende Flächen aufweist. Der Erfassungsfilm kann eine Platte aus PET (Polyethylenterephthalat) umfassen. Derartige Platten werden aus einem größeren Film geschnitten, und je geringer die erforderliche Fläche, desto einheitlicher ist die Filmdicke.
• Der Entwurf der Anregungsquelle und des Lichtquellen-/Detektoraufbaus 30 wird Fachleuten einleuchten, und oben wurden spezifische Beispiele geliefert. Somit kann die Lichtquelle eine abstimmbare Laserdiode umfassen, die Licht von etwa 850 nm erzeugen kann, und sie kann dahin gehend abgestimmt werden, einen Quadraturbetrieb des Interferometers zu erhalten. Der Detektoraufbau kann eine Photodiode umfassen, wie oben erörtert wurde, und kann einen integralen Transimpedanzverstärker aufweisen.
• Zusätzlich zur Analyse von biologischem Gewebe gibt es vielfältige mögliche Anwendungen, bei denen die Sonde der Erfindung eingesetzt werden kann. Derartige Anwendungen können eine medizinische sowie eine nicht-medizinische Probenanalyse umfassen.

Claims (6)

1. Sonde (12) zur Anregung einer Probe, um ein akustisches Signal zu erzeugen und zur Analyse des Signals, umfassend: eine Anregungsquelle (30), die zur Bereitstellung eines gepulsten Laserausgangs (20) angepasst ist; eine optische Faser mit einem Kern (40, 42) und einem Außenmantel (44), wobei der gepulste Laserausgang an den Kern (40, 92) an ein erstes Ende der optischen Faser abgegeben wird, wobei das zweite Ende der optischen Faser mit einem Interferometer-Film (18) bereitgestellt ist, der im Wesentlichen für die Laserpulse transparent ist, wobei ein in der Probe erzeugtes Signal die Dicke des Films (18) moduliert; und einen Lichtquellen- und Detektoraufbau (30), der zur Bereitstellung eines Interferometer-Signals (29) an den Kern an das erste Ende der Faser und zum Nachweis des vom Kern empfangenen modulierten reflektierten Signals (26, 28) angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen zentralen inneren Kern (40) und einen konzentrischen äußeren Kern (42) umfasst, dass der gepulste Laserausgang (20) an den äußeren Kern (42) an das erste Ende der optischen Faser abgegeben wird und dass der Lichtquellen- und Detektoraufbau (30) zur Bereitstellung eines Interferometer-Signals (24) an den inneren Kern (40) an das erste Ende der Faser und zum Nachweis des vom inneren Kern (40) empfangenen modulierten, reflektierten Signals (26, 28) angepasst ist.
2. Sonde nach Anspruch 1, worin der innere Kern (40) eine Einmodefaser definiert.
3. Sonde nach Anspruch 2, worin der Durchmesser des inneren Kerns (40) weniger als 10 μm beträgt.
4. Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Außendurchmesser des äußeren Kerns (42) ca. 250 μm beträgt.
5. Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Interferometer-Film (18) stumpf an das zweite Ende (16) der Faser stößt.
6. Gerät zur medizinischen Untersuchung zur Charakterisierung von biologischem Gewebe, umfassend eine Sonde (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche und Mittel zur Anzeige des nachgewiesenen modulierten, reflektierten Signals.