ES2275519T3 - Sonda de fibra optica para el analisis fotoacustico de materiales. - Google Patents
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Abstract
Una sonda (12) para excitar una muestra con el fin de producir una señal acústica y analizar la señal, que comprende: una fuente de excitación (30), adaptada para proporcionar una salida (20) de láser pulsado; una fibra óptica que tiene un núcleo (40, 42) y un revestimiento exterior (44), en la cual la salida de láser pulsado se suministra al núcleo (40, 42) en un primer extremo de la fibra óptica, y en el segundo extremo de la fibra óptica se dispone una película interferométrica (18), la cual es sustancialmente transparente a los pulsos del láser, una señal producida la muestra que modula el espesor de la película (18); y un montaje (30) de fuente y detector de luz, el cual está adaptado para proporcionar una señal interferométrica (24) al núcleo en el primer extremo de la fibra, y para detectar la señal reflejada modulada (26, 28) recibida desde el núcleo, caracterizada porque el núcleo comprende un núcleo interno central (40) y un núcleo externo concéntrico (42), porque la salida (20) de láser pulsado se suministra al núcleo externo (42) en el primer extremo de la fibra óptica, y porque el montaje (30) de fuente y detector de luz está adaptado para suministrar una señal interferométrica (24) al núcleo interno (40) en el primer extremo de la fibra, y para detectar la señal reflejada modulada (26, 28) recibida desde el núcleo interno (40).
Description
Sonda de fibra óptica para el análisis
fotoacústico de materiales.
Esta invención se refiere a sondas de fibra
óptica para excitar una muestra con el fin de producir señales para
su análisis. Estas señales pueden comprender ondas fotoacústicas y/o
fototérmicas.
Se han propuesto tales sondas para la
caracterización de tejido arterial previamente al tratamiento de
vasos sanguíneos estrechados, por ejemplo los causados por un
ateroma. Se han propuesto señales de láser pulsado como señales de
excitación, que generan una señal acústica a través de los efectos
de expansión térmica en el interior de la muestra. Se han propuesto
señales de excitación de diferentes longitudes de onda con el fin
de generar una firma fotoacústica que transporte los diferentes
tipos de información relativos a la muestra.
Por ejemplo, se ha encontrado que se pueden
analizar las señales fotoacústicas generadas por la excitación de
un láser de longitud de onda de alrededor de 450 nm (por ejemplo,
436 y 461 nm) para detectar la presencia de un ateroma, en base a
la diferente atenuación de la señal de excitación en el ateroma y en
el tejido normal. Alternativamente, se puede emplear una señal de
excitación de longitud de onda mayor, por ejemplo 530 nm, para
permitir la medida del espesor de la muestra. A esta longitud de
onda, la señal de excitación penetra a través de la muestra, y el
análisis temporal de las señales generadas en las fronteras entre
las capas de tejido permite realizar el cálculo del espesor.
El análisis del tejido arterial mediante la
utilización de la excitación por un láser pulsado para generar
señales acústicas y térmicas se discute en detalle en el artículo
"Characterizacion of post mortem arterial tissue using
time-resolved photoacustic spectroscopy at 436, 461
and 532 nm" en Phys. Med. Biol. 42 (1997), páginas
177-198.
Un diseño de una sonda de fibra óptica adecuada
para el análisis de muestras tal como el descrito anteriormente se
divulga en el artículo "Optical fiber
potoacustic-phototermal probe", publicado en
Optics Letters Vol 23, nº 15 del 1 de agosto de 1998. La sonda
comprende una fibra óptica multimodal con un sensor de película de
polímero Fabry-Perot transparente, montado en su
extremo distal, el cual se coloca en contacto con la muestra para
su análisis. Se lanzan pulsos ópticos dentro de la fibra y se
absorben el blanco, dando como resultado la generación de ondas
termoelásticas ultrasónicas para su detección por el sensor.
Un problema con el diseño de sondas descrito
anteriormente es que la longitud de onda de la señal acústica
generada puede ser pequeña en comparación con el diámetro de la
región de detección, la cual se define por el diámetro del núcleo
de la fibra multimodal. Como resultado, el interferómetro puede no
detectar señales con un ángulo de entrada oblicuo, por ejemplo,
señales de ondas de borde que aparecen debido efectos de
difracción.
De acuerdo con la invención, se proporciona una
sonda para la excitación de una muestra con el fin de producir una
señal acústica y para el análisis de la señal, que comprende: una
fuente de excitación adaptada para proporcionar una salida de láser
pulsado; una fibra óptica que tiene un núcleo y un revestimiento
exterior, la salida de láser pulsado se suministra al núcleo en un
primer extremo de la fibra óptica, mientras que el segundo extremo
de la fibra óptica está dotado de una película interferométrica, la
cual es sustancialmente transparente a los pulsos del láser, una
señal producida en la muestra que modula el espesor de la película;
y un montaje de fuente y detector de luz, adaptado para
proporcionar una señal interferométrica (24) al núcleo en un primer
extremo de la fibra, y para detectar la señal reflejada modulada
recibida desde el núcleo, en la cual el núcleo comprende un núcleo
interno central y un núcleo externo concéntrico, en la que la salida
de láser pulsado se suministra al núcleo externo en un primer
extremo de la fibra óptica, y en la que el montaje de fuente y
detector de luz está adaptado para proporcionar una señal
interferométrica al núcleo interno en un primer extremo de la
fibra, y para detectar la señal reflejada modulada recibida desde el
núcleo interno.
La sonda de la invención tiene un núcleo interno
pequeño, el cual actúa como la parte detectora de la sonda,
mientras que tiene, a la vez, un núcleo externo concéntrico mayor
para transportar los pulsos del láser de excitación. La sonda es,
por lo tanto, capaz de transportar la señal de la energía requerida
para excitar la muestra, mientras que proporciona, asimismo, un
área de detección pequeña, definida por el núcleo interno central.
Esto incrementa el intervalo de frecuencias de las señales que
pueden ser detectadas en ángulos de incidencia distintos del
normal. De acuerdo con esto, la sensibilidad del dispositivo se
incrementa para cambios en las características temporales de la
señal. La señal puede comprender una onda acústica o una onda
térmica.
Preferiblemente, el núcleo interno es una fibra
monomodal, la cual puede tener un diámetro inferior a
10 \mum, y preferiblemente alrededor de 6 \mum. Esto puede dar como resultado una sonda de análisis que tiene un área activa inferior a 10 \mum. Esto permite que la función de análisis de la sonda pueda responder a componentes de onda plana y a componentes de onda de borde de la señal acústica generada.
10 \mum, y preferiblemente alrededor de 6 \mum. Esto puede dar como resultado una sonda de análisis que tiene un área activa inferior a 10 \mum. Esto permite que la función de análisis de la sonda pueda responder a componentes de onda plana y a componentes de onda de borde de la señal acústica generada.
Un posible uso de la sonda se encuentra en el
equipo de examen médico para la caracterización de tejidos
biológicos, por ejemplo tejido arterial.
La invención se describirá a continuación
mediante un ejemplo, en referencia al dibujo adjunto, el cual
presenta una sonda de la invención utilizada para el análisis de
una muestra.
La figura presenta una muestra 10 para su
análisis mediante la sonda 12 de la invención. La sonda 12 comprende
una fibra óptica 14, que tiene una cara terminal 16 cortada y
pulida, contra la que se sitúa una película interferométrica 18 de
polímero. La película 18 de polímero es transparente, con el fin de
que los pulsos de excitación del láser, representados
esquemáticamente en la figura por las fechas 20, puedan introducirse
dentro de la muestra 10 a través de la película 18. Estos pulsos 20
pueden comprender pulsos ópticos de nanosegundos, submilijulios,
que se absorben en la muestra biológica 10 produciendo, por lo
tanto, ondas térmicas con una duración típica en el orden de unos
pocos cientos de milisegundos. Dentro de la muestra 10 se produce
una expansión térmica rápida, que genera ondas termoelásticas
ultrasónicas, con una duración típica de algunos cientos de
nanosegundos. Las ondas termoelásticas comprenden una señal acústica
22, la cual modula el espesor de la película 18. Por supuesto, se
pueden utilizar otras señales de excitación, dependiendo de la
naturaleza de la muestra sujeta a análisis.
El interferómetro definido por la película 18 se
ilumina mediante una luz lanzada dentro de la fibra desde una
fuente de láser de baja potencia de ondas continuas. La onda
acústica 22 modula el espesor de la película 18 y, por lo tanto, la
diferencia de fase óptica entre las reflexiones desde las dos caras
de la película. De modo similar, las ondas térmicas modulan el
espesor óptico de la película, el cual es detectable, asimismo,
como resultado de las diferencias de fase óptica. En cada caso, se
produce la correspondiente modulación en intensidad de la luz
reflejada desde la película detectora, la cual es detectada a su
vez. Las reflexiones tienen lugar en las dos caras de la película
18, como resultado del desacoplamiento entre los índices de
refracción a ambos lados de la película. Se pueden aplicar
recubrimientos reflexivos dialécticos, selectivos a la longitud de
onda, sobre las caras de la película 18, los cuales son
transparentes a los pulsos de excitación pero reflejan las
longitudes de onda de la señal de ondas continua. En la figura se
muestra esquemáticamente una señal luminosa incidente 24, y las dos
señales reflejadas 26, 28.
Los pulsos de excitación del láser 20 se
producen mediante un láser conmutado Q de Nd:YAG de doble
frecuencia, que opera a 532 nm, o mediante un láser de colorante
sintonizable. El láser forma parte de una fuente de excitación y de
un montaje 30 de fuente/detector de luz, el cual proporciona,
asimismo, la salida de onda continua para interrogar al
interferómetro. Esta salida de onda continua se puede derivar desde
una fuente de onda continua sintonizable, tal como un láser de
diodo.
Los pulsos de excitación 20 pueden tener una
longitud de onda que se selecciona dependiendo de las
características de la muestra 10 que se desee analizar, y de la
naturaleza de la muestra. Por ejemplo, los pulsos pueden tener una
longitud de onda tal que penetre en la totalidad del espesor de la
muestra 10. En este caso, las ondas termoelásticas se generarán en
las dos superficies de la muestra 10, y el montaje de detección
podrá permitir, entonces, el cálculo del espesor de la muestra.
Alternativamente, se podría escoger una longitud de onda de
excitación para generar diferentes señales termoelásticas,
dependiendo de las características de atenuación de la muestra 10,
lo cual puede permitir al operador distinguir entre tejido biológico
normal y anormal, por ejemplo entre tejido arterial normal y
anormal.
El montaje de detección de la unidad 30 puede
comprender un fotodiodo pin de silicio, cuya salida se muestra
preferiblemente en un osciloscopio.
Hasta aquí, la construcción de la sonda es
conocida. De acuerdo con la invención, la fibra óptica 14 comprende
un núcleo interno central 40, un núcleo externo concéntrico 42, y un
revestimiento exterior 44. Tales fibras de doble núcleo concéntrico
se conocen por su uso en otras aplicaciones, tales como láseres de
fibra óptica y amplificadores láser. Por lo tanto, el método de
construcción de tales fibras no se describirá. La salida 20 de
láser pulsado se suministra al núcleo externo 42 mediante la unidad
30, mientras que la señal de interrogación 24 se suministra al
núcleo interno 40 mediante la unidad 30. La señal reflejada
modulada, suministrada por la película interferométrica 18, se
transmite a lo largo del núcleo interno 40 hacia la parte detectora
de la unidad 30.
El tamaño de punto de la fuente de onda continua
interrogadora se enfoca para acoplarse al diámetro del núcleo de la
fibra interna, y el tamaño de punto de los pulsos de excitación
corresponde con el diámetro externo de la fibra. Parte de la
energía de los pulsos de excitación viajará a lo largo de núcleo
central, pero la selección de diferentes longitudes de onda para la
señal de excitación y para la señal de interrogación permitirá que
detector 30 distinga entre aquellas señales mediante el uso de
análisis espectral.
Se puede emplear un aparato convencional para
lanzar las señales de excitación e interrogación dentro de la
fibra, por ejemplo mediante el uso de espejos semiplateados para
combinar las señales de ambas fuentes.
El núcleo interno 40 define, preferiblemente,
una fibra monomodal, mientras que núcleo externo 42 actúa como
recubrimiento del núcleo interno. Para este propósito, el núcleo
interno 40 tiene un índice de refracción superior al del núcleo
externo 42. El núcleo externo 42 es capaz de transportar señales de
mayor energía, y el recubrimiento externo 44 tiene un índice de
refracción inferior al del núcleo externo 42.
El núcleo interno 40 tiene, preferiblemente, un
diámetro de entre 5 y 10 \mum, mientras que núcleo externo tiene
un diámetro de, aproximadamente,
250 \mum.
250 \mum.
La utilización de un núcleo interno físicamente
pequeño y preferiblemente monomodal como medio de transporte para
las señales interferométricas permite que el dispositivo de
detección tenga un área activa pequeña. Esto permite que el
dispositivo detecte señales de entrada dentro de un amplio intervalo
de longitudes de onda en ángulos de incidencia distintos del
normal. Las señales de entrada que entran en el sensor en un ángulo
con respecto al eje longitudinal del sensor se integrarán sobre el
área activa del sensor y, como resultado, un área activa inferior
mejora las características direccionales del sensor. La señal de
excitación provoca que la muestra produzca componentes de onda
plana y de onda de borde. La componente de onda de borde es una
onda de rarefacción generada en el borde externo de la envolvente de
la señal de excitación. La componente de onda de borde y la
componente de onda plana transportan distinta información relativa a
la muestra sujeta a análisis. La sonda de la invención permite la
detección de las componentes de onda de borde, que entran en la
sonda en un ángulo oblicuo debido a la pequeña área activa, lo que
reduce la limitación de banda de la respuesta de la sonda. Las
componentes de onda de borde siempre entrarán en la sonda en un
ángulo oblicuo, independientemente de la dirección en la que se
oriente la sonda, ya que se originan en el borde de la señal de
excitación producida por la sonda. Adicionalmente, el espaciado
físico entre el exterior del núcleo externo y el núcleo interno
permite que la sonda separe las señales de la onda plana y de la
onda de borde de la señal combinada recibida por la sonda. Esta
separación se puede conseguir mediante análisis temporal.
Las señales acústicas 22, producidas en la
muestra 10, pueden tener frecuencias típicamente de hasta 30 MHz, y
para las señales acústicas que viajan en agua dulce esto corresponde
con una longitud de onda de 47 \mum. Preferiblemente, por lo
tanto, el área activa del sensor es inferior a 20 \mum, con el fin
de que el sensor pueda responder a señales acústicas de 30 MHz. La
anchura de banda de detección excede, entonces, el intervalo de
frecuencias de la señal de entrada, el sensor tiene una respuesta
omnidireccional.
Una fibra monomodal no es capaz de transportar
los pulsos de láser conmutado Q requeridos para la excitación de la
muestra, y éstos se suministran en el núcleo externo 42. La mayor
área del núcleo externo 42 permite la introducción de una onda de
excitación en la muestra 10 sobre un área mucho mayor que el área de
detección definida por el núcleo interno central 40.
La pequeña área activa del interferómetro
facilita, asimismo, la producción de una película 18 de polímero
que tiene caras opuestas extremadamente uniformes y paralelas sobre
el área de interés del detector. La película detectora puede
comprender un disco de PET (tereftalato de polietileno). Tales
discos se pueden cortar a partir de una película mayor, y contra
más pequeña sea el área requerida mayor será la uniformidad del
espesor de la película.
El diseño de la fuente de excitación y del
montaje 30 de fuente/detector de luz será evidente para aquellos
expertos en la técnica, y se han dado anteriormente ejemplos
específicos. Así pues, la fuente de luz puede comprender un láser
de diodo sintonizable, que puede producir una luz de alrededor de
850 nm, y se puede ajustar para obtener un funcionamiento de
interferómetro en cuadratura. El montaje de detección puede
comprender un fotodiodo, como se discutió anteriormente, y puede
incluir un amplificador de
transimpedancia integral.
transimpedancia integral.
Existen varias aplicaciones posibles en las
cuales se puede utilizar la sonda de la invención, adicionalmente
al análisis de tejidos biológicos. Tales aplicaciones pueden incluir
el análisis de muestras tanto médicas como no médicas.
Claims (6)
1. Una sonda (12) para excitar una muestra
con el fin de producir una señal acústica y analizar la señal, que
comprende:
- una fuente de excitación (30), adaptada para proporcionar una salida (20) de láser pulsado;
- una fibra óptica que tiene un núcleo (40, 42) y un revestimiento exterior (44), en la cual la salida de láser pulsado se suministra al núcleo (40, 42) en un primer extremo de la fibra óptica, y en el segundo extremo de la fibra óptica se dispone una película interferométrica (18), la cual es sustancialmente transparente a los pulsos del láser, una señal producida la muestra que modula el espesor de la película (18); y un montaje (30) de fuente y detector de luz, el cual está adaptado para proporcionar una señal interferométrica (24) al núcleo en el primer extremo de la fibra, y para detectar la señal reflejada modulada (26, 28) recibida desde el núcleo,
- caracterizada porque el núcleo comprende un núcleo interno central (40) y un núcleo externo concéntrico (42), porque la salida (20) de láser pulsado se suministra al núcleo externo (42) en el primer extremo de la fibra óptica, y porque el montaje (30) de fuente y detector de luz está adaptado para suministrar una señal interferométrica (24) al núcleo interno (40) en el primer extremo de la fibra, y para detectar la señal reflejada modulada (26, 28) recibida desde el núcleo interno (40).
2. Una sonda, de acuerdo con la
reivindicación 1, en la cual el núcleo interno (40) define una fibra
monomodal.
3. Una sonda, de acuerdo con la
reivindicación 2, en la cual el diámetro del núcleo interno (40) es
inferior a 10 \mum.
4. Una sonda, de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en la cual el diámetro exterior del
núcleo externo (42) es de, aproximadamente, 250 \mum.
5. Una sonda, de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en la cual la película
interferométrica (18) se apoya contra el segundo extremo (16) de la
fibra.
6. Un equipo de examen médico para
caracterizar tejidos biológicos que comprende una sonda (12),
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y
medios para visualizar la señal reflejada modulada detectada.
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