KR20220063246A - 위스퍼링 갤러리 모드(wgm) 마이크로공진기들에 기초한 초음파 감지 및 이미징 - Google Patents

Abstract

광학 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기 기반 음향 센서들, 음향 센서들을 이용하는 이미징 시스템들, 및 음향 센서들을 이용하여 초음파들을 검출하는 방법들이 개시된다.

Description

위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 마이크로공진기들에 기초한 초음파 감지 및 이미징

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 2019년 9월 18일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 62/901,883의 우선권을 주장하며, 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

연방 정부 후원 연구 또는 개발에 관한 성명

본 발명은 육군 연구소(Army Research Office)에 의해 수여된 W911NF1710189 및 W911NF1210026 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서의 특정 권리를 갖는다.

개시내용의 분야

본 개시내용은 일반적으로 위스퍼링 갤러리 모드(whispering-gallery-mode) 공진기들을 포함하는 음향 트랜스듀서들(acoustic transducers)을 이용하여 초음파 이미징(ultrasound imaging)을 수행하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

초음파 기술은 다양한 분야, 특히 비침습적 측정들(non-invasive measurements), 원격 감지(remote sensing) 및 생체의학 이미징(biomedical imaging)에서 점점 더 많은 관심을 끌어 왔다. 초음파 이미징은 환자 내의 조직 경계들로부터 반사된 초음파 펄스들을 검출함으로써 환자들의 내부 구조들을 비침습적으로 이미징하기 위해 매우 다양한 설정들에서 이용된다. 이미징 응용들에서 이용되는 초음파 검출기들은 전형적으로 낮은 잡음 등가 압력(noise equivalent pressure)(NEP) 및 넓은 대역폭들을 갖는 높은 주파수들에서의 기능을 갖는다. 현재 이용가능한 압전 기반(piezoelectric-based) 초음파 검출기들은 일반적으로 이러한 요건들을 만족시킨다. 그러나, 더 작은 치수들을 갖는 검출기들이 필요한 이미징 응용들의 경우, 압전 기반 초음파 검출기들의 이용은 더 작은 압전 기반 초음파 검출기들의 치수들의 감소가 초음파 검출과 연관된 잡음의 증가를 동반한다는 점에서 잡음에 의해 제한된다.

또한, 더 높은 주파수 음파들을 인가함으로써 초음파의 해상도가 증가함에 따라, 그 침투 깊이는 증가된 음향 감쇠로 인해 감소한다. 해상도와 침투 깊이 사이의 이러한 절충은 종래의 압전 초음파 센서들의 맥락에서 도전과제를 제기한다.

광자 디바이스들(Photonic devices)(예를 들어, 격자들(gratings), 에탈론들(etalons) 등) 및 광학 압력 검출 기술들은 초음파 검출을 위한 큰 가능성을 보여주고, 이러한 디바이스들이 초음파 검출 성능 또는 감도를 희생하지 않고 마이크로-스케일들(micro-scales)로 제조될 수 있기 때문에 점점 더 많은 관심을 받고 있다. 광자 디바이스들에서, 음향파(acoustic wave)에 의해 유도되는 스트레인(strain)으로 인한 굴절 지수 변조(refractive index modulation) 및/또는 형상 변형들(shape deformations)은 검출된 광의 강도에서의 또는 디바이스의 스펙트럼 특성들에서의 변화들로 변환된다. 일부 기존의 디바이스들에서, 광학 공진기들은 매우 민감한 초음파 검출기들로서 이용되었다. 이러한 공진기들에서, 초음파의 도달은 공진 주파수 또는 전송된 광 강도(transmitted light intensity)의 변조로 이어진다. 일반적으로, 광학 공진기의 성능은 그것의 품질 계수(quality factor) Q(즉, Q가 높을수록, 광학 손실이 더 낮고 검출가능한 공진 시프트가 더 작음)에 의해, 뿐만 아니라 공진기가 만들어지는 재료의 음향-광학(acousto-optical) 및 기계적 특성들에 의해 제한된다.

다른 목적들 및 특징들이 부분적으로 명확할 것이며, 부분적으로 이하에서 설명된다.

개시내용의 간단한 설명

일 양태에서, 광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기, 공진기에 광학적으로 결합하기 위한 결합 도파관, 및 결합 도파관의 부분 및 공진기를 봉입하는(encasing) 폴리머를 포함하는 음향 센서가 개시된다. 결합 도파관은 분리 갭에 의해 공진기로부터 이격된다. 공진기 및 결합 도파관 각각은 폴리머의 대응하는 굴절 지수보다 높은 굴절 지수를 갖는다.

다른 양태들에서, 광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기, 공진기에 광학적으로 결합하기 위한 결합 도파관, 공진기 및 결합 도파관의 부분을 봉입하는 폴리머, 낮은-지수(low-index) 폴리머로부터 돌출하는 결합 도파관의 제1 단부에 결합된 광원, 및 결합 도파관의 제2 단부에 결합되고 낮은-지수 폴리머로부터 돌출하는 광 검출기를 포함하는 음향 감지 시스템이 개시된다. 결합 도파관은 제1 단부 및 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 갖고, 분리 갭에 의해 공진기로부터 이격된다. 공진기 및 결합 도파관 각각은 폴리머의 대응하는 굴절 지수보다 높은 굴절 지수를 갖는다.

추가적인 양태들에서, 음향 센서를 포함하는 광음향 이미징 디바이스(photoacoustic imaging device)가 개시된다. 음향 센서는 광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기, 공진기에 광학적으로 결합하기 위한 결합 도파관, 공진기 및 결합 도파관의 부분을 봉입하는 폴리머, 낮은-지수 폴리머로부터 돌출하는 결합 도파관의 제1 단부에 결합된 트랜스듀서 광원, 제1 단부에 대향하는 결합 도파관의 제2 단부에 결합되고 낮은-지수 폴리머로부터 돌출하는 트랜스듀서 광 검출기, 및 광음향 광원을 포함한다. 결합 도파관은 제1 단부 및 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 갖고, 결합 도파관은 분리 갭에 의해 공진기로부터 이격된다. 공진기 및 결합 도파관 각각은 폴리머의 대응하는 굴절 지수보다 높은 굴절 지수를 갖는다.

다른 추가적인 양태들에서, 음향 감지 시스템을 제공하는 단계를 포함하는 초음파들을 검출하기 위한 방법이 개시된다. 음향 감지 시스템은 광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기, 공진기에 광학적으로 결합하기 위한 결합 도파관, 공진기 및 결합 도파관의 부분을 봉입하는 폴리머, 광원, 및 광 검출기를 포함한다. 결합 도파관은 제1 단부 및 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 갖고, 결합 도파관은 분리 갭에 의해 공진기로부터 이격된다. 광원은 낮은-지수 폴리머로부터 돌출하는 결합 도파관의 제1 단부에 결합되고, 광 검출기는 낮은-지수 폴리머로부터 돌출하는 결합 도파관의 제2 단부에 결합된다. 폴리머는 샘플 접촉 표면을 형성한다. 공진기 및 결합 도파관 각각은 폴리머의 대응하는 굴절 지수보다 높은 굴절 지수를 갖는다. 방법은 샘플 내로부터 방출되는 초음파들이 폴리머를 통해 공진기 및 결합 도파관의 부분에 전도되도록 샘플 접촉 표면을 샘플과 음향적으로 결합하는 단계, 광원에 의해 생성된 광을 결합 도파관의 제1 단부에 도입하는 단계, 광 검출기에 의해 검출된 결합 도파관의 제2 단부로부터의 광을 검출된 광의 진폭을 인코딩하는 검출기 신호들로 변환하는 단계, 및 미리결정된 캘리브레이션 규칙을 이용하여 검출기 신호들을 압력으로 변환하는 단계를 더 포함한다.

다른 목적들 및 특징들이 부분적으로 명확할 것이며, 부분적으로 이하에서 설명된다.

본 기술분야의 통상의 기술자라면, 이하에서 설명되는 도면들은 단지 예시의 목적을 위한 것이다. 도면들은 어떠한 방식으로든 본 교시의 범위를 제한하도록 의도되지 않음을 이해할 것이다.
도 1a는 공기에서의 광섬유의 몇몇 상이한 직경들에 대한 파장의 함수로서 섬유 모드 지수(fiber mode index)를 요약하는 그래프이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 1.6μm 광섬유에 대한 섬유 모드 분포를 도시하는 맵이다.
도 1c는 1.33의 굴절 지수(n)를 갖는 폴리머에서의 광섬유의 몇몇 상이한 직경들에 대한 파장의 함수로서 섬유 모드 지수를 요약하는 그래프이다.
도 1d는 도 1c에 도시된 1.6μm 광섬유에 대한 섬유 모드 분포를 도시하는 맵이다.
도 2a는 1.33의 굴절 지수(n)를 갖는 폴리머에서 봉입된 광섬유(n_fiber) 및 마이크로토로이드 공진기(microtoroid resonator)(m_WGM,tr) 내의 883nm에서의 광 전송에 대한 유효 지수(effective index)들을 요약하는 그래프이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 광섬유에 대한 섬유 모드 분포를 도시하는 맵이다.
도 2c는 1.33의 굴절 지수(n)를 갖는 폴리머에서 봉입된 광섬유(n_fiber) 및 마이크로토로이드 공진기(m_WGM,tr) 내의 778nm에서의 광 전송에 대한 유효 지수들을 요약하는 그래프이다.
도 2d는 도 2c에 도시된 광섬유에 대한 섬유 모드 분포를 도시하는 맵이다.
도 2e는 1.33의 굴절 지수(n)를 갖는 폴리머에서 봉입된 광섬유(n_fiber) 및 마이크로토로이드 공진기(m_WGM,tr) 내의 709nm에서의 광 전송에 대한 유효 지수들을 요약하는 그래프이다.
도 2f는 도 2e에 도시된 광섬유에 대한 섬유 모드 분포를 도시하는 맵이다.
도 3은 본 개시내용의 일 양태에 따른 광학 공진기 기반 음향 압력 센서(optical-resonator-based acoustic pressure sensor)의 이미지이다.
도 4a는 광학 공진기 기반 음향 압력 센서가 낮은-지수 폴리머 재료로 형성된 케이스 내에 내장되는, 도 3에 도시된 광학 공진기 기반 음향 센서의 개략적인 단면도이다.
도 4b는 도 4a의 내장된 광학 공진기 기반 음향 센서의 개략적인 측면도이다.
도 5는 본 개시내용의 일 양태에 따른 광학 공진기 기반 음향 감지 프로브를 포함하는 음향 이미징 시스템의 도면이다.
도 6은 전송된 광 파장의 함수로서의 광학 공진기 기반 음향 감지 프로브를 통한 전송된 광 강도의 스펙트럼이다.
도 7은 초음파 펄스에 응답하여 광학 공진기 기반 음향 감지 프로브에 의해 생성된 신호의 예를 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 개시내용의 일 양태에 따른 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 9는 본 개시내용의 일 양태에 따른 컴퓨팅 디바이스를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 10은 본 개시내용의 일 양태에 따른 원격 또는 사용자 컴퓨팅 디바이스를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 11은 본 개시내용의 일 양태에 따른 서버 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 12는 본 개시내용의 일 양태에 따른 마이크로토로이드 공진기를 제조하는 방법을 도시하는 개략도이다.
도 13a는 본 개시내용의 일 양태에 따른 음향 센서를 조립하는 방법을 도시하는 개략적인 측면도이다.
도 13b는 본 개시내용의 일 양태에 따른 음향 센서를 조립하는 방법을 도시하는 개략적인 평면도이다.
도 14는 본 개시내용의 일 양태에 따른 광학 음향 센서로부터 전송 판독치(transmission readings)를 획득하기 위한 휴대용 디바이스의 디스플레이를 도시하는 스크린 샷이다.
도 15는 본 개시내용의 일 양태에 따른 광학 공진기 기반 음향 센서를 포함하는 초음파 이미징 시스템의 요소들을 도시하는 개략도이다.
도 16a는 공기에서의 광학 공진기 기반 음향 센서의 임계 결합으로부터의 갭 디튜닝(gap detuning)에 대한 감도 부하 계수(sensitivity loading factor)를 요약하는 그래프이다.
도 16b는 n=1.33 폴리머에서 봉입된 광학 공진기 기반 음향 센서의 임계 결합으로부터의 갭 디튜닝에 대한 감도 부하 계수를 요약하는 그래프이다.
도 17a는 지방(fat) 또는 유방(breast) 조직을 나타내는 조직 샘플에서의 다양한 센서 향상 정도를 갖는 광학 공진기 기반 음향 센서의 통합에 의해 가능해지는 다양한 센서 향상들에 대한 초음파 주파수의 함수로서의 초음파 센서의 침투 깊이를 도시하는 그래프이다.
도 17b는 혈액을 나타내는 조직 샘플에서의 다양한 센서 향상 정도를 갖는 광학 공진기 기반 음향 센서의 통합에 의해 가능해지는 다양한 센서 향상들에 대한 초음파 주파수의 함수로서의 초음파 센서의 침투 깊이를 도시하는 그래프이다.
도 18a는 이미지 해상도 및 침투 깊이의 함수로서 맵핑되는 다양한 기존의 이미징 양상들(OCT/광학 간섭 단층촬영, PAT/광음향 단층촬영, US/초음파, 및 MRI/자기 공명 이미징)를 요약하는 그래프이다.
도 18b는 본 개시내용의 양태에 따른, 다양한 이미징 양상들에서 광학 공진기 기반 음향 센서들에 의해 제공되는 개선된 감도의 효과를 도시하는 도 18a의 그래프에 대응하는 그래프이다.
도 19는 본 개시내용의 양태에 따른 단일 마이크로토로이드 센서를 보여주는 광학 현미경사진 이미지이다.
도 20a는 다양한 압력들에서 전달된 5MHz 초음파 펄스들에 응답하여 폴리머-봉입 마이크로토로이드 압력 센서에 의해 측정된 신호를 요약하는 그래프이다.
도 20b는 다양한 압력들에서 전달된 20MHz 초음파 펄스들에 응답하여 폴리머-봉입 마이크로토로이드 압력 센서에 의해 측정된 신호를 요약하는 그래프이다.
도 21은 폴리머-봉입 마이크로토로이드 압력 센서에 대한 SNR을 평가하기 위해 이용되는 주파수 디튜닝의 함수로서의 폴리머-봉입 마이크로토로이드 압력 센서를 이용하여 획득된 신호 진폭을 요약하는 그래프이다.
도 22는 주파수들의 범위에서 전달된 초음파 펄스들을 검출하는 폴리머-봉입 마이크로토로이드 압력 센서에 의해 획득된 정규화된 신호 진폭들을 도시하는 그래프이다.
도 23a는 폴리머-봉입 마이크로토로이드 압력 센서의 표면 상으로의 입사 음파들의 방향을 정량화하는데 이용되는 부호 규약을 도시하는 개략도이다.
도 23b는 도 23a에서 정의된 바와 같은 입사 음 각도들의 범위에서 전달된 초음파 펄스들을 검출하는 폴리머-봉입 마이크로토로이드 압력 센서에 의해 획득된 정규화된 신호 강도의 맵이다.
도 24는 본 개시내용의 일 양태에 따른 마이크로토로이드 압력 센서를 이용한 음향 신호들의 검출의 개략도이다.
도 25는 공진기의 파장 업-스캐닝 동안 공진기 내의 파장 디튜닝 및 전송을 보여주는 그래프들을 포함한다.
도 26은 본 개시내용의 일 양태에 따른 광음향 이미징 시스템의 개략도이다.
현재 논의되는 배열들이 도면들에 도시되어 있지만, 본 실시예들은 정확한 배열들로 제한되지 않고 도시된 수단들이라는 것이 이해된다. 다수의 실시예들이 개시되지만, 본 개시내용의 또 다른 실시예들은 본 개시내용의 예시적인 양태들을 도시하고 설명하는 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 인식되는 바와 같이, 본 발명은 본 개시내용의 사상 및 범위로부터 모두 벗어나지 않고 다양한 양태들에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면들 및 상세한 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적이지 않다.

다양한 양태들에서, 낮은-지수 폴리머에 봉입된 초고품질 광학 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기를 포함하는 압력 센서가 개시된다. 다양한 다른 양태들에서, 폴리머-봉입된 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기는 압력 검출 시스템에 포함될 수 있다. 다양한 추가적인 양태들에서, 초음파 이미징 시스템을 포함하지만 이에 제한되지 않는 의료 이미징 시스템은 음향 센서로서 광학 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기를 포함할 수 있다. 압전 재료들에 기초한 종래의 하이드로폰(hydrophone)과 비교하여, 광학 공진기는 인입(incoming) 음향파들에 의해 유도된 기계적 섭동들에 대한 순환 광의 높은 감도를 레버리지할 수 있고, 따라서 음향 신호에 대해 더 높은 감도를 달성할 수 있다. 한편, WGM 마이크로공진기들을 이용하여 달성가능한 서브-밀리미터 풋프린트(sub-millimeter footprint)는 (1) 컴팩트한 센서 어레이들을 형성 시에 가능성을 제공하고; (2) 더 높은 주파수로 음향 응답 대역폭을 넓힐 수 있다.

다양한 양태들에서, 폴리머-봉입 WGM 공진기들은 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 인입 음향 신호들에 반응하는 높은 광학 품질 계수들(Q~ 10⁷) 및 풍부한 기계적 모드들 둘다를 갖는다. 폴리머 케이싱은 고정된 배열로 결합된 섬유 테이퍼 및 WGM 공진기를 유지하여, 기계적 섭동이 없는 시스템의 강건한 광학 구동을 가능하게 한다. 폴리머 케이싱은 제조 동안 광학 패키징 프로세스를 더 단순화하고, 패키징은 초음파 이미징 시스템들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 디바이스들의 설계 내로의 압력 센서들로서의 폴리머-봉입 WGM 공진기들의 통합을 단순화한다.

I. 광학 공진기 기반 음향 센서들, 센서 시스템들, 및 이용 방법들

본 발명 및 다양한 실시예들의 세부사항들은 도면들을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다. 도 3을 참조하면, 광학 공진기 기반 음향 센서 시스템(100)의 예시가 도시된다. 다양한 양태들에서, 시스템(100)은 튜닝가능 레이저를 포함하지만 이에 제한되지 않는 광원(101)을 포함할 수 있다. 시스템(100)은 기판(113)에 부착된 WGM 공진기(102), 및 레이저 에너지를 공진기(102)의 공진 모드들 내외로 가져오기 위한 결합 도파관(104)을 더 포함한다. 시스템(100)은 광원(101)에 의해 생성된 레이저 에너지를 결합 도파관(104) 내로 지향시키도록 구성된 광학 결합기(103)를 더 포함할 수 있다. 적절한 광원들의 비제한적인 예들은 온도 제어에 의해 또는 구동 전류를 제어함으로써 파장이 미세하게 튜닝될 수 있는 반도체 레이저들(DFB 또는 FP 레이저 다이오드들), GaN 또는 유사한 LED 온-칩 광원들, 또는 온-칩 WGM 마이크로레이저들을 포함한다. 결합 도파관(104)의 대향 단부에 결합된 광수신기(photoreceiver)(106)(또는 광검출기)는 결합 도파관(104)의 출력 포트(110)에서 레이저 신호(108)를 검출하는데 이용될 수 있다.

다양한 양태들에서, 광원(101) 및 광수신기(106) 둘다가 컴퓨팅 디바이스(112)(도시되지 않음)에 링크되어 있다. 다양한 양태들에서, 컴퓨팅 디바이스는 광원(112)의 동작을 제어하고, 공진기(102)로부터의 광 전송에 관련된 정보를 추출하기 위해 광수신기(106)로부터의 출력을 처리하도록 구성되어 있다. 다른 양태에서, 시스템(100)의 컴퓨팅 디바이스(112)는, 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 프로세서 및 비휘발성 컴퓨터 판독가능 메모리(도시되지 않음)를 추가로 포함한다.

도 4a 및 도 4b는, 각각, WGM 공진기(102) 및 결합 도파관(104)의 부분(114)이 낮은-지수 폴리머(116)에서 봉입되는, 도 3에 도시된 시스템과 유사한 시스템(100)의 단면 및 측면 개략도들이다. 일 양태에서, 낮은-지수 폴리머(116)는 결합 도파관(104)의 부분(114) 및 WGM 공진기(102)를 고정된 배열로 유지한다. 일부 양태들에서, 고정된 배열은 결합 도파관(104)을 WGM 공진기(102)로부터 분리하는 갭(118)을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 갭(118)은 결합 도파관(104)을 통해 WGM 공진기(102)로 지향되는 레이저 에너지의 임계 결합을 초래하도록 선택된다. 다른 양태에서, 갭(118)은 임계 결합 갭 거리로부터 약간 오프셋되어, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 향상된 센서 감도와 연관된 최대 부하 계수에 더 가까운 WGM 공진기(102)의 동작을 가능하게 한다.

다양한 양태들에서, 갭의 선택된 값은 광학 WGM 공진기의 치수들 및 재료들, 결합 도파관의 치수들 및 재료들, 캡슐화 폴리머의 치수들 및 재료들, 광학 WGM 진동기 기반 압력 센서의 동작 파라미터들, 및 임의의 다른 관련 인자를 포함하지만 이에 제한되지 않는 복수의 인자들 중 임의의 하나 이상에 의해 영향을 받는다. 위에 설명된 인자들 중 적어도 일부의 관계의 상세한 설명은 아래에 더 상세히 설명된다.

도 4a 및 도 4b를 다시 참조하면, 낮은-지수 폴리머(116)는 결합 도파관(104)과 WGM 공진기(102) 사이에서 광을 효율적으로 전달할 뿐만 아니라, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 초음파 이미징 시스템을 이용하여 이미징되는 조직으로부터 초음파들을 효율적으로 수신하도록 구성된다. 다양한 양태들에서, 낮은-지수 폴리머(116)는 WGM 공진기(102), 결합 도파관(104), 및 기판(113) 위에 경화되지 않은 상태로 도포되고, 후속하여 경화 방법을 이용하여 제자리(in situ) 경화된다. 경화 방법이 선택된 폴리머 재료와 호환되는 한, 임의의 알려진 경화 방법이 제한 없이 낮은-지수 폴리머(116)를 경화하기 위해 이용될 수 있다. 적절한 경화 방법들의 비제한적인 예들은 UV 경화, 수분 경화, 및 크로스-링크 경화를 포함한다. 일부 양태들에서, 경화의 정도는 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 시스템(100)의 효율적인 동작을 가능하게 하는 레벨들로 낮은-지수 폴리머(116)의 음향 임피던스 및/또는 굴절 지수를 변조하기 위해 변화될 수 있다. 비제한적인 예로서, 경화 방법은 WGM 공진기(102)와 결합 도파관(104) 사이의 효율적인 광 전달에 적합한 굴절 지수뿐만 아니라, 초음파 이미징되는 조직에 매칭되는 기계적 지수를 특징으로 하는 경화된 폴리머를 생성할 수 있다. 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 조직에 대한 낮은-지수 폴리머(116)의 기계적 매칭은 이미징된 조직으로부터 나오는 초음파 펄스들의 효율적인 전송을 용이하게 할 수 있다.

다른 양태에서, 낮은-지수 폴리머(116)는 추가적인 멤브레인 층(120)으로 커버될 수 있다. 다양한 양태들에서, 멤브레인 층(120)은 하부 폴리머(116)를 밀봉하도록 선택되어, 산소가 폴리머(116)와 접촉하는 것을 방지하는 장벽을 제공함으로써 경화 프로세트, 예컨대, 아래에 더 상세히 설명된 UV 경화 프로세스를 용이하게 할 수 있다. 일부 양태들에서, 멤브레인 층(120)은 경화 프로세스의 완료 시에 시스템(100)의 낮은-지수 폴리머(116)로부터 제거될 수 있다. 다른 양태들에서, 멤브레인 층(120)은 낮은-지수 폴리머(116)의 노출된 표면 위에 보유될 수 있다. 이들 다른 양태들에서, 멤브레인 층(120)의 재료는 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 센서 시스템(100)을 포함하는 초음파 이미징 시스템을 이용하여 이미징될 조직에 음향적으로 매칭되도록 선택될 수 있다.

다양한 양태들에서, 멤브레인 층(120)은 산소가 하부의 낮은-지수 폴리머 층(116) 내로 침투하는 것을 방지할 수 있는 임의의 적절한 재료이다. 적절한 멤브레인 층 재료의 비제한적인 예는 커버 슬립들, 폴리머 층들 및 임의의 다른 적절한 멤브레인 재료를 포함한다. 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 멤브레인 층의 굴절 지수는 본 명세서에 설명된 캡슐화된 WGM 공진기(102) 및 결합 도파관(104)의 성능에 영향을 미치지 않는다. 일부 양태들에서, 멤브레인 층(120)은 전술한 바와 같이, 이미징될 조직에 음향적으로 매칭되는 재료를 이용하여 생성될 수 있다.

다양한 양태들에서, 멤브레인 층(120)은 미리 형성되어 낮은-지수 폴리머(116) 위에 도포될 수 있거나, 또는 멤브레인 층(120)은 비경화된 상태로 낮은-지수 폴리머(116) 위에 도포되어 제자리에 경화될 수 있다. 비제한적인 예로서, 미리 형성된 멤브레인 층을 낮은-지수 폴리머 위에 도포하는 것은 전술한 바와 같이 낮은-지수 폴리머 내의 경화의 완료 시에 멤브레인 층의 후속 제거를 용이하게 할 수 있다. 다른 비제한적인 예로서, 이미징될 조직에 음향적으로 매칭되는 멤브레인 재료를 제자리에 도포 및 경화시켜 멤브레인 층과 낮은-지수 폴리머 사이의 접촉의 친밀도를 향상시킴으로써, 조직으로부터 하부의 센서들로의 음향 신호들의 효율적인 전송을 촉진할 수 있다.

다양한 양태들에서, 멤브레인 층의 두께는 약 0.1mm 내지 약 5mm의 범위이다. 다양한 다른 양태들에서, 멤브레인 층의 두께는 약 0.1mm 내지 약 0.3mm, 약 0.2mm 내지 약 0.4mm, 약 0.3mm 내지 약 0.5mm, 약 0.5mm 내지 약 0.7mm, 약 0.6mm 내지 약 0.8mm, 약 0.7mm 내지 약 0.9mm, 약 0.8mm 내지 약 1.0mm, 약 0.9mm 내지 약 1.1mm, 약 1.0mm 내지 약 2mm, 약 1.5mm 내지 약 2.5mm, 약 2mm 내지 약 3mm, 약 2.5mm 내지 약 3.5mm, 약 3mm 내지 약 4mm, 약 3.5mm 내지 약 4.5mm 및 약 4mm 내지 약 5mm의 범위이다.

도 4b는 도 4a에 도시된 시스템(100)의 측면도이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 봉입된 부분(114)에 인접한 결합 도파관(104)의 단부들은 낮은-지수 폴리머 인케이스먼트(low-index polymer encasement)(116)로부터 돌출하여 광학 결합기(103)를 통해 결합 도파관(104)에 대한 광원(101)의 결합을 가능하게 하고, 광검출기(106)에 대한 결합 도파관(104)의 결합을 가능하게 한다. 광검출기(106)는 결합 도파관(104)의 출력 포트(110)에서 레이저 신호 출력을 검출하고, 검출된 레이저 신호 출력을 나타내는 검출기 출력 신호(122)를 전송하도록 구성된다.

다양한 양태들에서, 컴퓨팅 디바이스(112)는 동작 파장을 선택하기 위해 스캐닝 모드에서 광학 공진기 기반 음향 센서 시스템(100)을 동작시킬 뿐만 아니라, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 음향 신호들을 검출하기 위해 동작 파장에서 로킹된 시스템(100)을 동작시키도록 더 구성된다. 일 양태에서, 컴퓨팅 디바이스(112)는 결합 도파관(104) 내로 도입된 파장들을 스캐닝하기 위해 광원을 제어하고 튜닝할 뿐만 아니라, 검출기 출력 신호의 전송 스펙트럼을 분석하기 위해 선택 알고리즘을 수행하여, 검출된 편광도 값을 도출하고, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 복수의 편광도 값들로부터 매칭하는 편광도 값을 선택하도록 더 구성된다.

다양한 양태들에서, 광학 공진기는 약 50μm 내지 약 200μm 범위의 직경을 특징으로 할 수 있다. 다양한 다른 양태들에서, 공진기의 직경은 약 50μm 내지 약 60μm, 약 55μm 내지 약 65μm, 약 60μm 내지 약 70μm, 약 65μm 내지 약 75μm, 약 70μm 내지 약 80μm, 약 75μm 내지 약 85μm, 약 80μm 내지 약 90μm, 약 85μm 내지 약 95μm, 약 90μm 내지 약 100μm, 약 95μm 내지 약 105μm, 약 100μm 내지 약 120μm, 약 110μm 내지 약 130μm, 약 120μm 내지 약 140μm, 약 130μm 내지 약 150μm, 약 140μm 내지 약 160μm, 약 150μm 내지 약 170μm, 약 160μm 내지 약 180μm, 약 170μm 내지 약 190μm 및 약 180μm 내지 약 200μm 범위이다.

임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 광학 공진기의 직경은 압력 센서의 공진 파장들 및 중심 주파수들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 광학 공진기 기반 압력 센서의 성능에 관련된 복수의 인자들 중 적어도 하나에 영향을 미칠 수 있다.

다양한 다른 양태들에서, 결합 도파관은 제한 없이 임의의 적절한 도파관을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 결합 도파관은 테이퍼형 섬유이다. 다양한 양태들에서, 테이퍼형 섬유의 최소 직경은 약 0.5μm 내지 약 5μm의 범위이다. 다양한 다른 양태들에서, 테이퍼형 섬유의 최소 직경은 약 0.5μm 내지 약 0.7μm, 약 0.6μm 내지 약 0.8μm, 약 0.7μm 내지 약 0.9μm, 약 0.8μm 내지 약 1.0μm, 약 0.9μm 내지 약 1.1μm, 약 1μm 내지 약 2μm, 약 1.5μm 내지 약 2.5μm, 약 2μm 내지 약 3μm, 약 2.5μm 내지 약 3.5μm, 약 3μm 내지 약 4μm, 약 3.5μm 내지 약 4.5μm 및 약 4μm 내지 약 5μm의 범위이다. 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 더 작은 테이퍼 직경들은 본 명세서에 설명된 바와 같은 개시된 음향 센서들의 WGM 공진기들 상으로의 더 짧은 광 파장들의 결합을 최적화하는 것으로 생각된다.

일 양태에서, 결합 도파관은 적어도 1.5μm의 최소 직경, 약 2cm의 테이퍼 길이, 및 약 125μm의 섬유 단부 직경을 갖는 테이퍼형 섬유를 포함한다. 다양한 추가적인 양태들에서, 결합 도파관들은 용융 실리카 재료, 저손실 광학 폴리머, 및 임의의 다른 적절한 재료를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 본 기술 분야에 알려진 임의의 적절한 재료들로 구성될 수 있다.

다양한 양태들에서, WGM 공진기 기반 음향 센서들의 성능은 제한 없이 임의의 적절한 기존 분석 방법을 이용하여 평가될 수 있다. 일 양태에서, 토로이드형 공진기 기반 음향 센서에 의해 획득된 초음파 진폭들의 측정들은 SNR 및 잡음 등가 압력을 평가하기 위해 도 21에 도시된 바와 같은 표준 방법들을 이용하여 분석될 수 있다. 다른 양태에서, 초음파 압력들의 범위에서 토로이드형 공진기 기반 음향 센서의 응답 진폭들의 측정들은 초음파들의 상이한 주파수들에서 센서의 감도를 결정하기 위해 표준 방법들을 이용하여 분석될 수 있다. 비제한적인 예로서, 상이한 파 압력들에서 5MHz 및 20MHz 초음파들에 응답하는 토로이드형 공진기 기반 음향 센서의 신호 진폭들은 각각 도 20a 및 20b에 도시된다. 추가적인 양태에서, 초음파 주파수들의 범위에 대한 토로이드형 공진기 기반 음향 센서의 응답 진폭들의 측정들은 도 22에 도시된 바와 같이 센서의 대역폭을 결정하기 위해 표준 방법들을 이용하여 분석될 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 폴리머-봉입 WGM 공진기를 포함하는 음향 센서의 음향 감지 성능은 표 1에 요약된다:

표 1: 봉입된 WGM 공진기를 갖는 음향 센서의 성능

다른 비제한적인 예로서, 표 1에 특징지어진 음향 센서의 음향 감지 성능은 아래의 표 2의 종래의 압전 트랜스듀서의 대응하는 성능과 비교된다:

표 2: 봉입된 WGM 공진기와 종래의 의료 등급 초음파 디바이스들과의 음향 센서의 성능의 비교

도 6을 다시 참조하면, 하이-Q WGM으로부터 획득된 전송 스펙트럼은 통상적으로 로렌치안 라인 형상(Lorentzian line shape)을 갖는다. 도 24에 도시된 바와 같이, 인입 초음파는 굴절 지수 변조 및/또는 형상 변형(도 24의 좌측 이미지들을 참조)을 유도할 수 있고, 이것은 전송 스펙트럼에서 공진 시프트로 변환된다(도 24의 우측 그래프를 참조). 동작 파장이 고정되어 있다면, 공진 주파수의 변동은 시간에 관한 전송된 광학 전력의 진동들로서 반영된다(도 24의 우측 그래프의 출력 전력 신호를 참조). 일 양태에서, 인입 초음파에 의해 유도된 출력 진동의 진폭을 최대화하기 위해, 동작 파장은 가장 큰 기울기를 갖는 전송 스펙트럼 상의 지점(2402)에 대응하는 파장으로 설정된다.

열적 안정 측만이 선호된다는 점에 유의해야 한다. 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 열적 안정 측은 공진기의 재료 관련 열-광학 계수(thermo-optical coefficient)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 적어도 하나의 인자에 따라 보다 짧은 파장 측 또는 보다 긴 파장 측 중 어느 하나이다. 공진기의 열-광학 계수가 양의 열-광학 계수들에 의해 특징지어지는 실리카, 실리콘, 실리콘 질화물을 포함하지만 이에 제한되지 않는 유전체 재료들에 의해 지배되는 경우, 보다 짧은 파장 측(도 6의 영역(606))은 열적으로 안정하다. 공진기의 열-광학 계수가 음의 열-광학 계수들에 의해 특징지어지는 폴리머 재료들에 의해 지배되는 경우, 보다 긴 파장 측(도 6의 영역(608))은 열적으로 안정하다.

도 25에 도시된 바와 같이, 높은 Q 마이크로공진기의 전송 스펙트럼에서의 열적 안정 영역은 파장 스캐닝 프로세스들 동안 삼각형 형상(2502)을 갖는 것으로서 식별된다. 비제한적인 예로서, 양의 열-광학 계수들(dn/dT>0)을 갖는 유전체 재료들로 만들어진 높은 Q 실리카 마이크로공진기에 대해, 펌프 레이저의 파장이 파장 업-스캐닝 프로세스 동안 공진 파장에 접근함에 따라, 캐비티는 가열되기 시작하고, 이 적색은 공진 파장을 시프트시켜, 공진 파장과 스캐닝 펌프 파장 사이의 추적 프로세스를 업-스캔하게 하고, 즉, 공진 파장과 스캐닝 펌프 파장 둘다는 동일한 방향으로 시프트한다. 구체적으로, 공진 및 펌프 파장들 둘다는 선형으로 증가하는 반면, 그들 사이의 파장 디튜닝은 선형으로 감소한다. 이 추적 프로세스에서, 펌프 파장(도 25의 상부 그래프에서 파선으로 도시됨)은 이동하는 공진 파장(도 25의 상부 그래프에서 실선으로 도시됨)을 추적하고, 그들 사이의 디튜닝은 공진의 대역폭 내에 있다. 따라서, 공진기는 공진 상태에서 동작되고, 펌프 레이저 에너지는 공진기에 결합된다. 이 추적 프로세스는 펌프 파장이 공진 파장을 따라잡을 때까지 계속된다. 이 지점을 넘어, 펌프 레이저가 공진 파장을 더 푸시할 수 없기 때문에 공진 상태는 이동하는 공진 파장의 영역(2504)에서 빠르게 손실된다.

열적 안정 영역은 전술한 바와 같이 양의 열-광학 계수들을 갖는 공진기 재료들에 대한 파장 업-스캐닝(도 25 참조) 동안, 또는 음의 열-광학 계수들을 갖는 공진기 재료들에 대한 파장 다운-스캐닝(도시되지 않음) 동안 식별될 수 있다는 점에 유의한다. 공진기의 열-광학 계수가 열-광학 계수 > 0인 실리카, 실리콘, 실리콘 질화물과 같은 유전체 재료들에 의해 지배되는 경우, 파장 업-스캐닝 측(보다 짧은 파장 측)은 열적으로 안정하다. 공진기의 열-광학 계수가 폴리머들에 의해 지배되는 경우(열-광학 계수 < 0), 파장 업-스캐닝 측(보다 긴 파장 측)은 열적으로 안정하다.

a. 공진기 및 광섬유의 배열

다양한 양태들에서, 광섬유 및 광학 공진기의 치수들 및 배열은 센서의 성능에 관련된 다양한 인자들을 포함하는 하나 이상의 규칙에 따라 결정된다. 일 양태에서, 분리 규칙은 테이퍼형 광섬유와 광학 공진기의 외주를 분리하는 갭을 결정하는데 이용될 수 있다. 다른 양태에서, 광섬유 및 광학 공진기의 치수들 및 배열은 아래에 설명되는 복수의 인자들에 의해 영향을 받을 수 있다.

임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 섬유 도파관의 치수는 도파관 모드의 유효 지수를 결정하고, 섬유 테이퍼와 공진기 사이의 갭은 결합 강도를 결정하며, 이는 대안적으로 결합 유도 손실로서 정량화될 수 있다. 본 명세서에서 임계적으로 결합된 것으로도 지칭되는 이상적으로 여기된 WGM은 결합된 WGM 및 섬유 테이퍼의 전송 스펙트럼 내의 좁고 깊은 로렌치안 딥 형상을 특징으로 한다. 이 임계 결합은 i) 섬유 도파관 모드의 유효 지수가 WGM의 유효 지수와 매칭하고, ii) 결합 유도 손실이 공진기 내부의 고유 손실과 동일할 때 달성된다.

b. 이상적인 섬유 테이퍼의 결정

다양한 양태들에서, 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 마이크로토로이드 공진기들에서 광학 모드들을 여기시키기 위한 이상적인 섬유 테이퍼는 아래에 더 상세히 설명되는 다양한 기준들을 이용하여 결정된다.

일 양태에서, 이상적인 섬유 테이퍼는 다음과 같이 표현되는 바와 같이, 타겟 WGM들과의 위상 매칭 조건을 충족시켜야 한다:

[수학식 1]

여기서, n_WGM,tr은 WGM 마이크로토로이드 공진기들의 변환된 유효 지수(n_WGM)이고; n_fiber는 섬유 테이퍼의 직경 및 굴절 지수에 의해 결정되고; n_WGM은 공진기의 크기 및 굴절 지수뿐만 아니라 주변 매체의 굴절 지수에 의해 결정된다. 다양한 양태들에서, n_fiber 및 n_WGM 둘다는 유한 요소 방법(FEM)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 기술분야에 알려진 임의의 적절한 방법을 이용하여 수치적으로 계산될 수 있다.

n _fiber :

일 양태에서, FEM 모드 분석은 공기(도 1a 및 도 1b)에서 및 낮은-지수(n=1.3) 폴리머(도 1c 및 도 1d)에서의 몇몇 상이한 테이퍼 직경에 대해 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이 상이한 직경들 및 주변 재료들을 갖는 섬유 모드들의 모드 분포 및 유효 지수들을 시뮬레이션하기 위해 적용된다.

n _WGM :

추가적인 양태에서, FEM 고유주파수 분석(2D 회전 대칭 모델)은 WGM 마이크로토로이드 공진기들의 모드 분포 및 고유주파수들을 시뮬레이션하기 위해 적용된다. 이 양태에서, n_WGM은 다음의 수학식을 이용하여 유도된다:

[수학식 2]

여기서, m은 방위각 모드 수이고, c는 광속이고, ω는 시뮬레이션된 고유주파수이고, R_e는 "모드 질량 중심"의 방사상 위치이며, 다음과 같이 표시된다.

[수학식 3]

여기서, E는 전기장의 진폭이고, n(r)은 굴절 지수이다.

n _WGM,tr :

다른 양태에서, n_WGM,tr은 하기 식을 이용하여 결정된다:

[수학식 4]

여기서, d_sep는 WGM "모드 질량 중심"과 섬유 중심 사이의 거리이다.

결합 갭이 매우 작을 때, 즉, 섬유 테이퍼가 공진기에 거의 접촉할 때 다음과 같이 된다:

[수학식 5]

여기서, a 및 a_f는 각각 마이크로토로이드 및 섬유 테이퍼 반경의 마이너(minor) 반경이고, R_p는 마이크로토로이드 공진기의 메이저(major) 반경이다.

도 2a, 도 2c 및 도 2e는 전술한 수학식 및 방법들을 이용하여 각각 생성된, 883nm, 778nm, 709nm의 파장들에서 가변적인 섬유 테이퍼 직경들을 갖는 유효 지수들 n_WGM,tr 및 n_fiber를 요약하는 그래프들이다. 도 2b, 도 2d 및 도 2f는 각각 도 2a, 도 2c 및 도 2e의 광섬유들에 대한 섬유 모드 분포들의 맵들이다. 도 2a, 도 2c 및 도 2e는 폴리머 배경에 대한 이상적인 테이퍼 직경들이 각각 883nm, 778nm, 709nm의 파장들에서 1.41μm, 1.31μm, 1.25μm임을 도시한다.

c. 낮은-지수 폴리머 층

다양한 양태들에서, WGM 공진기 및 결합 도파관의 부분은 낮은-지수 폴리머 재료에서 봉입된다. 폴리머 인케이스먼트는 제조, 초음파 이미징 시스템들과 같은 다양한 디바이스들 내로의 통합, 및 본 명세서에 설명된 바와 같은 압력들을 검출하기 위한 WGM 공진기 기반 광학 압력 센서의 이용과 관련된 다양한 기능들을 수행한다. 일부 양태들에서, 폴리머 인케이스먼트는 3중 기능을 수행한다: i) 결합 영역을 보호하는 것, 2) 입력 음향 신호를 효과적으로 전달하는 것, 및 iii) 진동 구조체를 위한 댐핑 층(damping layer)으로서 작용하는 것. 인케이스먼트 폴리머에 의해 수행되는 다수의 기능들은 인케이스먼트 폴리머 재료 및 폴리머 층 치수들의 선택에 대한 제약들을 부과한다.

일 양태에서, 인케이스먼트 폴리머 재료는 굴절 지수 및 밀도의 최소 변화로 급속 경화를 가능하게 하도록 선택된다. 다른 양태에서, 인케이스먼트 폴리머 재료는 초음파 또는 광음향 이미징 시스템을 이용하여 이미징될 조직으로부터 나오는 초음파 펄스들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 입력 신호에 음향적으로 투명하도록 선택된다. 추가적인 양태에서, WGM 공진기 기반 압력 센서에 전달되는 음향 신호는 인케이스먼트 폴리머 층의 치수를 엔지니어링함으로써 향상될 수 있다. 이러한 추가적인 양태에서, 인케이스먼트 층의 두께는 음향 중심 파장의 (1/4 + n/2)배로 설정될 수 있고/있거나, 볼록 상부 경계가 폴리머 인케이스먼트 층 내에 형성되어 WGM 공진기 상의 음향 포커싱을 향상시킬 수 있다. 다른 추가적인 양태에서, 인케이스먼트 폴리머 재료는 펄스형 음향 입력에 대한 응답 테일(response tail)을 제거하기 위해 수신된 압력 펄스들에 응답하여 공진기 구조의 기계적 진동들의 효과적인 댐핑을 향상시키도록 선택된다.

하나의 예시적인 양태에서, 인케이스먼트 폴리머 재료는 적절한 레벨의 음향 댐핑을 갖는 폴리머를 선택함으로써 기계적 진동 또는 다중반사로 인한 응답 테일들을 최소화하면서, 전술한 바와 같이 인케이스먼트 폴리머 층을 성형함으로써 센서 감도를 향상시키도록 선택되고 엔지니어링될 수 있다.

다양한 양태들에서, 인케이스먼트 폴리머 재료는 본 명세서에서 WGM 공진기 및 결합 도파관의 대응하는 굴절 지수들보다 작은 굴절 지수를 갖는 폴리머로서 정의되는 낮은-지수 폴리머일 수 있다. 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 인케이스먼트 폴리머 재료의 포함은 공기에서의 등가 시스템에 비해 WGM 공진기 및 결합 도파관의 향상된 결합 유도 모드 확장을 야기한다. 비제한적인 예로서, 낮은-지수 폴리머에서 봉입된 광섬유에 대한 섬유 모드 분포(도 1d 참조)는 공기에서의 광섬유에 대한 대응하는 섬유 모드 분포(도 1b 참조)에 비해 더 넓다. 결과적으로, 선택된 인케이스먼트 폴리머의 굴절 지수는 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 최적 갭 분리 거리에서 결합 섬유의 정밀한 배치에 대한 센서 성능의 감도를 개선할 수 있다. 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 아래에 더 상세히 설명되는 굴절 지수 콘트라스트(n_contrast = n_resonator/n_polymer)는 WGM 공진기의 로렌치안 라인 형상(도 6) 및 부하 곡선(도 16b)에 영향을 미친다. 특히, n_contrast가 1에 접근함에 따라, 로렌치안 라인 형상 및 부하 곡선이 확장되고, Q 계수가 감소된다.

다양한 다른 양태들에서, 인케이스먼트 폴리머 재료의 음향 임피던스는 WGM 공진기 기반 압력 센서를 포함하는 초음파 이미징 시스템을 이용하여 초음파 이미징될 샘플의 대응하는 음향 임피던스에 매칭될 수 있다. 비제한적인 예로서, PDMS는 전형적인 생물학적 조직들과 비교적 낮은 정도의 음향 미스매치(대략 2배)를 갖는 폴리머이다. 다양한 추가적인 양태들에서, 인케이스먼트 폴리머 재료의 음향 댐핑은, WGM 공진기로의 초음파들의 효율적인 전송을 유지하면서, 봉입된 압력 센서 내의 초음파들의 내부 에코잉(echoing)을 억제하도록 선택될 수 있다.

다양한 양태들에서, 본 기술 분야에 알려진 임의의 적절한 광학 폴리머는 제한 없이 인케이스먼트 폴리머로서 이용하기 위해 선택될 수 있다. 다양한 양태들에서, 인케이스먼트 폴리머는 UV-경화된 폴리머들 또는 수-경화된(water-cured) 폴리머들을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 적절한 인케이스먼트 폴리머 재료들의 비제한적인 예는 PDMS, PFOA, 및 비-PFOA 타입 플루오로 (메트)아크릴레이트를 포함한다.

d. 중심 주파수

다양한 양태들에서, WGM 기반 센서의 음향 응답 대역의 중심 주파수는 공진기의 고유 기계적 모드에 의해 결정된다. 비제한적인 예로서, 마이크로스피어(microsphere)에서, 동일한 차수의 기계적 모드에 대한 기계적 공진 주파수는 프리 스피어 모델(free sphere model)에 기초한 이론적 예상과 일치하여, 마이크로스피어 공진기의 직경에 반비례한다. 다른 비제한적인 예로서, 칩 기반 마이크로디스크 또는 마이크로토로이드 공진기들에 대해, 기계적 공진 주파수는 프리스탠딩(free-standing) 디스크 멤브레인의 길이, 즉, 언더컷 크기에 대략 반비례한다.

e. 결합 갭

다양한 양태들에서, WGM 공진기 기반 압력 센서의 결합 갭은 WGM 공진기 및 결합 도파관의 임계 결합, 및 센서 감도를 포함하지만 이에 제한되지 않는 적어도 여러 센서 성능 파라미터들 중 임의의 하나 이상을 향상시키도록 선택된다.

임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 결합 유도 모드 확장

는

에 비례하는 것으로 밝혀지며, 여기서

는 (

에 의해 추정되는) 공진기 본체 외부의 필드 감쇠 계수이고, d는 결합 갭의 폭이다. 공기 배경에서 n_contrast = n_resonator이고, 폴리머 패키징에서 n_contrast = n_resonator/n_polymer이다.

일부 양태들에서, 인케이스먼트(공기)를 갖지 않는 센서에 대해서는 도 16a에, 그리고 낮은-지수 폴리머 인케이스먼트를 갖는 센서에 대해서는 도 16b에 도시된 바와 같이, WGM 공진기의 로렌치안 라인 형상의 일 측의 중심에 레이저 주파수가 로킹될 때 WGM 공진기 기반 압력 센서의 감도가 향상된다. 열적으로 로킹될 때, 단파장 측은 양의 열-광학 계수들을 갖는 재료들(유전체 재료들)에 대해 안정적인 반면, 장파장 측은 음의 열-광학 계수들을 갖는 재료들(폴리머들)에 대해 안정적이다. 분석적으로, 이것은 다음과 같이 표현될 수 있다:

[수학식 6]

[수학식 7] 및 [수학식 8]

[수학식 9]

여기서, Δω는 펌프 레이저와 실시간 공진 사이의 각 주파수 디튜닝이고, T는 관측가능한 전송이다.

다른 양태들에서, 이상적인 동작 디튜닝은 전송 스펙트럼에서 가장 큰 기울기에서 발생하여, 공진 시프트에 의해 표시된 작은 신호가 가장 많이 증폭될 수 있게 된다. 또한, 결합 유도된

는 전송의 로렌치안 라인 형상의 깊이 및 폭에 관련된다. 비제한적인 예로서, 도 6은 깊이(602), 폭(604) 및 최대 기울기(606)가 표시되는 전송 스펙트럼의 그래프이다.

일 양태에서, 표준 결합 기준은 "임계 결합"인 것으로 정의되며, 여기서

이고, 가장 깊은 라인 형상은 전송된 전력의 전체 확장의 간단한 표시자로 달성된다.

이 존재하기 때문에―여기서 △d는 임계 결합의 갭으로부터 디튜닝되는 갭 폭임―,

에 비례하는 이론적 감도는 △d의 함수로서 기재될 수 있다:

[수학식 10]

임계 결합에서의 감도를 정규화함으로써, 결합에 의해 유도된 부하 계수가 정의된다:

[수학식 11]

도 16a 및 16b에 도시된 바와 같이, 공기 및 폴리머(n=1.33)에서의 780nm에서의 부하 계수들이 각각 도시된다.

f. 마이크로토로이드 제조 방법

다양한 양태들에서, 마이크로토로이드 WGM 공진기들은 본 기술 분야에 알려진 임의의 적절한 방법을 이용하여 실리콘 웨이퍼들 또는 임의의 다른 적절한 기판 상에 제조될 수 있다. 비제한적인 예로서, 도 12는 일 양태에서 마이크로토로이드 제조 방법의 요약이다. 도 12를 참조하면, 실리카 층은 단결정 실리콘 기판 상에서 산화되고(단계 1), HDMS는 열 증발 및 스핀 코팅을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 방법에 의해 실리카 층 위에 퇴적된다(단계 2). 이 양태에서, UV 마스크는 포토레지스트 위에 퇴적되고, 이어서 UV 노출(단계 3)되어 현상 동안 마스킹되지 않은 포토레지스트를 제거한다(단계 4). 포토레지스트의 제거에 의해 노출된 실리카 층의 부분은 제한 없이 임의의 적절한 방법을 이용하여 제거된다. 실리콘 기판의 부분들은 임의의 적절한 방법을 이용하여 제거되어 지지 컬럼을 형성하고(단계 6), 이어서 마이크로토로이드를 완성하기 위해 CO₂ 레이저 리플로우(단계 7)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 알려진 방법에 의해 실리카 층의 둘레 주위에 실리카 립(silica lip)을 형성한다. 전술한 방법을 이용하여 제조된 마이크로토로이드의 이미지가 도 19에 제공된다.

다양한 양태들에서, 광학 공진기는 마이크로토로이드, 마이크로디스크, 마이크로링, 마이크로스피어 및 임의의 다른 적절한 형태를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 형태로 제공될 수 있다. 다양한 다른 양태들에서, 광학 공진기들은 실리콘, 실리카, 리튬 니오바이트, 및 제한 없이 임의의 다른 적절한 재료들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다.

g. 센서 패키징 방법

다양한 양태들에서, 광학 WGM 공진기 기반 음향 센서는 서브밀리미터 레벨 풋프린트를 갖는 것을 특징으로 하여, 컴팩트한 센서 어레이들의 형성을 가능하게 한다. 일부 양태들에서, 광학 WGM 공진기 기반 음향 센서의 온-칩 설계는 0.3mm만큼 작은 주기(period)를 갖는 1D 또는 2D 센서 어레이들을 구성하는데 이용될 수 있다.

일 양태에서, 본 명세서에 설명된 WGM 공진기들은 제한 없이 임의의 적절한 기존 제조 방법을 이용하여 상업용 실리콘 웨이퍼 상에 제조될 수 있다. 다른 양태에서, 센서들의 비용은 현재의 반도체 산업 제조 시스템들 및 방법들에 대한 적절한 제조 방법들의 호환성으로 인해 크게 감소될 수 있다.

비제한적인 예로서, 도 13a 및 13b에 도시된 바와 같이, 마이크로토로이드 공진기들(1302)은 엔지니어링된 기계적 스펙트럼 및 측면 상의 지지 벽들을 갖는 기판(1312) 상에 제조된다. 최적의 직경을 갖는 테이퍼형 섬유들(1304)은 테이퍼형 섬유(1304)를 마이크로토로이드(1302)와 결합시키기 위해 캡슐화 폴리머(1306) 내에 제조되고 위치된다. 일 양태에서, 섬유 가이드(1308)는 마이크로토로이드(1302)에 인접한 테이퍼형 섬유(1304)의 포지셔닝을 용이하게 하기 위해 기판(1312) 상에 제조된다. 이 양태에서, 기판(1312)은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 플랫폼 및 부착된 섬유 가이드(1308) 및 마이크로토로이드(1302)를 테이퍼형 섬유(1304)에 대해 이동시키도록 구성되는 마이크로스테이지 또는 마이크로조작기를 포함하는 조정가능한 플랫폼에 결합될 수 있다.

이 양태에서, 마이크로토로이드(1302) 및 섬유(1304)는 도 13a 및 13b에 도시된 바와 같이 UV-경화가능 낮은-지수 폴리머로 커버된다. 폴리머-커버된 마이크로토로이드(1302) 및 섬유 가이드(1308)는 그 후 마이크로토로이드(1302)와 섬유(1304) 사이의 갭(1310)을 조정함으로써 폴리머에서의 최적의 결합 갭으로 튜닝되도록 이동된다. 일 양태에서, 최적의 튜닝 갭은 상이한 갭 거리들에 대해 도 14에 도시된 바와 같이 컴퓨팅 디바이스를 이용하여 전송 스펙트럼들을 반복적으로 획득함으로써 식별될 수 있다. 마이크로토로이드(1302) 및 섬유(1304)가 위에 설명된 바와 같이 원하는 갭에 위치되면, 낮은-지수 폴리머는 UV 광에 직접 노출되고, 실시간 전송 스펙트럼은 결합 영역의 경화의 표시가 검출될 때까지 도 14에 도시된 바와 같이 모니터링된다. 일 양태에서, 결합 영역의 경화의 표시는 전송 스펙트럼들에서의 광학 공진의 빠른 시프트를 포함한다. 다른 양태에서, 전체 센서 디바이스는 폴리머 층을 UV 경화시키기 위한 불활성 환경을 확립하기 위해 플라스틱 필름으로 커버될 수 있다. 이 불활성 환경 내에서, 전체 캡슐화 폴리머 층은 이 양태에서 경화될 수 있다.

일 양태에서, 도 14에 도시된 광학 공진기들의 구동 시스템은 전화 크기 시스템(phone-sized system)으로서 제공될 수 있다. 이 전화 크기 시스템은 섬유 및 마이크로토로이드를 배치하면서 디바이스 성능을 평가할 뿐만 아니라, 본 명세서에 설명된 바와 같은 다양한 디바이스들에서 압력 센서를 동작시키기 위해 이용될 수 있다.

II. 이미징 시스템들

다양한 양태들에서, 전술한 광학 공진기 기반 음향 센서들은 이전의 음향 센서 구성들에 대해 전례가 없는 레벨들에서 높은 감도 및 넓은 대역폭을 동시에 달성한다. 일부 양태들에서, 적어도 하나의 광학 공진기 기반 음향 센서는 초음파 음향 이미징 시스템, 광열 이미징 시스템, 및 음향 신호들의 검출을 포함하는 임의의 다른 적절한 임상 이미징 시스템을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임상 이미징 시스템에서 음향 검출기로서 역할을 할 수 있다.

a. 초음파 이미징 시스템들

일 양태에서, 광학 공진기 기반 음향 센서들은 도 15에 도시된 바와 같이 초음파 이미징 시스템(1500) 내에 통합된다. 이 양태에서, 광학 공진기 기반 음향 센서(1502)는, 이미징된 조직들에 의해 산란, 반사, 또는 다른 방식으로 변경되는 US 펄스들을 생성하기 위해 초음파 프로브 헤드(1506) 내에 압전 트랜스듀서들을 유지하면서, 프로브 어레이(1504)에서 초음파를 검출하기 위한 기존의 압전 트랜스듀서들을 대체한다. 압전 센서들과 같은 종래의 디바이스들에 비해 향상된 감도 및 확장된 대역폭으로, 광학 공진기 기반 음향 센서(1502)는 고주파수에서 강하게 감쇠된 초음파 신호로부터도 이미지 재구성을 위한 충분한 정보를 수집한다. 결과적으로, 광학 공진기 기반 음향 센서(1502)의 통합은 현재 임상 초음파 시스템들에 대한 해상도(결정된 주파수)와 침투 깊이 사이의 절충을 극복하는 것을 도울 수 있다.

다양한 양태들에서, 초음파 이미징 시스템은 제한 없이 약 20kHz 초과의 임의의 주파수의 초음파들을 생성한다. 전술된 바와 같이, 위스퍼 갤러리 모드 마이크로공진기들은 넓은 범위의 음향 주파수들을 검출하도록 구성될 수 있다. 일부 양태들에서, 초음파 이미징 시스템은 약 20kHz 내지 약 200MHz 또는 그보다 높은 범위의 주파수들을 갖는 파들을 이용한다. 다른 양태들에서, 초음파 이미징 시스템은, 기존의 초음파 이미징 시스템들에서 이용되는 약 2MHz 내지 약 20MHz의 범위, 약 100MHz 내지 약 300MHz 범위의 초고주파 초음파, 및 임의의 다른 적절한 초음파 주파수를 포함하지만 이에 제한되지 않는 약 20kHz 내지 약 200MHz 또는 그보다 높은 범위의 주파수들을 갖는 파들을 이용한다. 깊은 침투 요건을 갖는 응용들을 위한 고주파 초음파의 이용을 가능하게 함으로써, 개시된 광학 공진기 기반 초음파 검출기는 초음파 이미징의 해상도를 크게 증가시킬 수 있다.

도 15를 다시 참조하면, 초음파 신호는 종래의 트랜스듀서(1506)로부터 전송되는 반면, 에코 신호는 프로브 어레이(1504)에서의 광학 공진기 기반 초음파 센서들(1502)에 의해 수집된다. 휴대용 광학 제어 모듈(1508)은 프로브 어레이(1504)에서의 광학 센서들(1502)을 구동하여 종래의 트랜스듀서(1506)에 의해 생성된 초음파 펄스들에 응답하여 이미징될 조직에 의해 생성된 초음파 신호들을 검출하는데 이용된다. 광학 제어 모듈(1508)은 프로브 어레이(1504)에서의 각각의 광학 공진기 기반 초음파 센서(1502)에 동작가능하게 결합된다. 또한, 광학 제어 모듈(1508)은, 종래의 트랜스듀서(1506)를 동작시키고, 프로브 어레이(1504)로부터 신호들을 수신하며, 프로브 어레이(1504)로부터 수신된 신호들에 기초하여 초음파 이미지를 재구성하도록 구성된 이미징 제어 및 분석 시스템(1520)에 동작가능하게 결합된다.

도 15를 다시 참조하면, 광학 제어 모듈(1508)은 프로브 어레이(1504)의 광학 공진기 기반 초음파 센서들(1502)에 동작가능하게 결합된 광원(1516) 및 광 수신기(1514)를 포함한다. 광원(1516)은, 광학 공진기 기반 초음파 센서들(1502) 내에 광을 결합하는데 이용되는 적어도 하나의 결합 도파관(도시되지 않음) 내로 지향되는 광을 생성한다. 광 수신기(1514)는, 광학 공진기 기반 초음파 센서들(1502)에 의해 변조된 것으로서 적어도 하나의 결합 도파관으로부터 수신된 광을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 광 검출기(도시되지 않음)를 포함한다. 광학 제어 모듈(1508)은, 광 수신기(1514)의 적어도 하나의 광 검출기의 출력을 광 검출기 출력을 인코딩하는 전기 신호로 변환하도록 구성된 신호 처리 모듈(1512)을 더 포함한다. 신호 처리 모듈(1512)에 의해 생성된 전기 신호들은 조직들로부터 이미징 제어 및 분석 시스템(1520)으로의 검출된 초음파 신호들에 응답하여 생성된 프로브 어레이(1504)의 신호 출력들(1510)에 통신된다.

다양한 양태들에서, 프로브 어레이(1504)는 적어도 하나의 광학 공진기 기반 초음파 센서(1502)를 포함한다. 일부 양태들에서, 프로브 어레이(1504)는, 1D 선형 어레이 패턴 및 2D 어레이 패턴을 포함하지만 이에 제한되지 않는 어레이 패턴으로 배열된 복수의 광학 공진기 기반 초음파 센서(1502)를 포함한다. 2D 어레이 패턴은 제한 없이 임의의 적절한 2D 어레이 패턴을 포함한다. 적절한 2D 어레이 패턴의 비제한적인 예는, 데카르트 격자 패턴들, 단일 원의 센서들 또는 다수의 동심 원들의 센서들과 같은 원형 패턴들, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일 양태에서, 프로브 어레이(1504)는, 도 15에 도시된 바와 같이, 복수의 센서(1502)를 포함하는 1D 선형 어레이이다. 프로브 어레이의 모든 센서들은 전술된 바와 같이 연속적인 낮은-지수 폴리머 층에서 캡슐화된다.

다양한 양태들에서, 센서 어레이(1504) 내의 인접한 센서들(1502) 사이의 간격은 균일할 수 있거나, 간격들이 상이한 인접한 센서들(1502) 사이에서 변할 수 있다. 프로브 어레이(1504) 내의 센서들(1502) 사이의 간격은, 이미징 시스템의 원하는 공간 해상도, WGM 공진기들과 결합 도파관들의 치수들, 센서 어레이의 아키텍쳐, 인접한 센서들 사이의 크로스토크의 회피, 및 제한 없이 임의의 다른 관련 인자들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 적어도 수 개의 인자들 중 임의의 하나 이상에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 양태들에서, 프로브 어레이(1504) 내의 인접한 센서들(1502) 사이의 최소 분리는 센서들(1502)의 크로스토크를 피하기 위해 적어도 5μm이다.

다양한 추가적인 양태들에서, 센서 어레이의 센서들은 본질적으로 동일한 치수들을 갖는다. 다른 양태들에서, 센서들(1502)의 적어도 일부는 상이한 치수들을 가질 수 있다. 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 센서 크기들의 범위는 다양한 주파수 범위들에 걸쳐 음향 신호들에 대한 향상된 감도를 센서 어레이에 제공할 수 있다.

다양한 추가적인 양태들에서, 프로브 어레이(1504)의 각각의 센서(1502)는 별개의 결합 도파관들에 결합되어, 센서들(1502)의 수가 결합 도파관들의 수와 동일하게 할 수 있다. 다른 추가적인 양태들에서, 센서들의 적어도 일부는 공유된 결합 도파관에 대한 결합을 공유할 수 있다. 일부 추가적인 양태들에서, 프로브 어레이는 센서들의 하나 이상의 부분뿐만 아니라 별개의 결합 도파관들에 각각 결합된 센서들의 추가적인 부분에 의해 공유된 하나 이상의 공유된 결합 도파관을 포함할 수 있다.

도 5는 도 15에 도시된 시스템(1500)과 유사한 초음파 이미징 시스템(500) 내에서 광학 공진기 기반 음향 센서 시스템(100)을 이용하여 조직 내로의 초음파 펄스들의 도입 및 조직에 의해 생성된 초음파 신호들의 검출을 도시하는 개략도이다. 도 5를 참조하면, 음향 센서 시스템(100)의 적어도 하나의 WGM 마이크로-공진기(102) 및 결합된 도파관(104)은 이미징될 조직(504)에 음향적으로 결합될 수 있다. 종래의 초음파 트랜스듀서(506)는 음향 신호(502)를 유도하기 위해 조직(504) 내로 초음파 펄스들(508)을 지향시킨다. 일 양태에서, WGM 마이크로-공진기(102) 내로 결합된 광은 편광 제어기(도시되지 않음)를 통해 지향된 레이저(101)를 이용하여 생성된다. 음향 신호들(502)은 위에 설명된 바와 같이 WGM 마이크로-공진기(102)와 상호작용하고, 결합된 도파관(104)의 출력 포트(108)에 결합된 광 검출기(106)에 의해 검출된 레이저 신호의 변화들의 형태로 검출된다. 광 검출기(106)의 출력 신호들은 신호 분석기로서 기능하는 컴퓨팅 디바이스(112)에 통신된다. 일 양태에서, 컴퓨팅 디바이스(122)는 도 7에 도시된 바와 같이, 광 검출기(106)의 출력 신호들을 마이크로-공진기의 광학 공진 진폭들의 형태의 음향 신호들로 변환한다. 다른 양태에서, 컴퓨팅 디바이스(112)는 도 6에 도시된 바와 같이, 광 검출기(106)의 출력 신호들을 마이크로-공진기(600)의 스펙트럼 응답으로부터 식별된 공진 파장을 이용하여 획득될 수 있는 음향 신호의 형태의 음향 신호들로 변환한다.

일부 양태들에서, 초음파 이미징 시스템은 단일의 광학 공진기 기반 음향 센서 시스템을 구비한다. 이 양태에서, 초음파를 전송하기 위해 포커싱된 초음파 소스가 적용되는 반면, 단일의 광학 공진기 기반 음향 센서 시스템은 에코를 수집하고 반사기들의 깊이들(A-스캔 이미지)를 위치파악한다. 경계 소스 및 센서를 기계적으로 스캐닝함으로써 B-스캔 이미지가 획득된다.

다른 양태에서, 초음파 이미징 시스템은, 도 15에 도시된 바와 같이, 광학 공진기 기반 음향 센서들의 어레이를 구비한다. 이 양태에서, 초음파의 포커싱 및 스캐닝은 트랜스듀서 위상 어레이에 의해 달성된다. 일부 양태들에서, 광학 센서들의 수집된 신호 그룹에 적절한 빔-형성 알고리즘을 적용함으로써 실시간 B-스캔 이미지가 획득될 수 있다. 다른 양태에서, 경사진 평면-파 초음파는 트랜스듀서 위상 어레이에 의해 전송될 수 있고 전송 각도는 스캐닝될 수 있다. 반사 신호는 광학 공진기 기반 음향 센서 어레이에 의해 수집될 수 있다. 적절한 빔-형성 알고리즘에 의해, 초고속 B-스캔 이미지 획득이 달성될 수 있다.

다양한 양태들에서, 광학 공진기 기반 음향 센서들의 어레이는 선형 어레이, 평면 어레이 또는 링 어레이와 같은 2D 어레이 및 원통형 또는 반구형 어레이와 같은 3D 어레이 중 하나를 포함하지만 이에 한정되지 않는 공간 어레이로 배열된 적어도 2개의 WGM 공진기를 포함한다. 일부 양태들에서, 어레이에서의 적어도 2개의 WGM 공진기는 각각 개별 결합 섬유들, 광원들 및 광 검출기들에 결합된다. 다른 양태들에서, 어레이에서의 적어도 2개의 WGM 공진기는 동일한 결합 섬유, 광원 및 광 검출기에 결합된다.

다른 추가적인 양태들에서, 어레이에서의 적어도 2개의 WGM 공진기 기반 압력 센서 시스템들은 크기, 중심 주파수, 동작 파장, 감도, 및 임의의 다른 관련 동작 파라미터에 대해 본질적으로 동일하다. 또 다른 추가적인 양태들에서, 적어도 2개의 WGM 공진기 기반 압력 센서 시스템들은 공진기 직경, 공진기 재료, 갭 분리 거리, 동작 파장, 인케이스먼트 폴리머 재료, 결합 테이퍼 재료, 결합 테이퍼 직경, 및 임의의 다른 관련 파라미터를 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 이상의 파라미터에서 상이할 수 있다.

추가적인 양태에서, 광학 공진기 기반 음향 센서 시스템은 고조파 초음파 이미징의 품질을 향상시키기 위해 기존의 초음파 이미징 시스템들 내에 통합될 수 있다. 고조파 초음파 이미징은 이미징된 타겟으로부터의 고주파 비선형 초음파 에코로 인해 높은 감도 및 특이성을 향유한다. 그러나, 비선형 신호의 약하고 광대역인 성질은 초음파 검출기에 도전적인 요건을 부과한다. 광학 공진기 기반 음향 센서는 (1) 비선형 초음파 에코를 효율적으로 수집하고; (2) (더 높은 해상도를 위해) 더 높은 주파수 및 짧은 펄스 지속기간에서 초음파를 펌핑하는 것을 가능하게 하기 위해 충분히 넓은 검출 대역을 허용하기 위해 이용될 수 있다.

b. 광음향 이미징 시스템들

다양한 양태들에서, 광학 공진기 기반 음향 센서들은 초음파 이미징 시스템 내에 통합된다. 임의의 특정한 이론에 제한되지 않고, 적어도 하나의 광 펄스는 이미징될 조직 내에 도입되고, 입사 광자들의 에너지는 조직 내의 구조들에 의해 흡수되고 초음파들의 형태로 재방출된 광음향 신호들이다. 방출된 초음파들은 후속해서 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서에 의해 검출되고, 검출된 신호들은 광음향 이미지들을 재구성하는데 이용된다. 다양한 양태들에서, 광음향 신호들을 검출하도록 구성된 광학 공진기 기반 음향 센서들은 제한 없이 임의의 기존의 초음파 이미징 시스템과 호환된다. 광학 공진기 기반 음향 센서들과 호환되는 초음파 시스템들의 비제한적인 예들은 광음향 현미경(PAM) 시스템들 및 컴퓨터 단층촬영(PACT) 시스템들을 포함한다.

도 26을 참조하면, 광음향 시스템(2600)은 일 양태에서 광음향(PA) 광원(2602)을 포함하고, 광음향(PA) 광원(2602)은 PA 광학 모듈(2608)의 적어도 하나의 광학 요소를 이용하여 조직(2606) 내로 지향될 복수의 레이저 펄스(2604)를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 펄스 레이저를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일 양태에서, PA 광원(2602)에 의해 생성된 각각의 레이저 펄스(2604)는 레이저 펄스(2604)가 지향되는 조직(2606)의 부분 내의 구조들(2612)로부터 복수의 PA 신호(2610)를 유도하도록 구성된다. 위에서 설명된 바와 같이, 단일 레이저 펄스(2604)에 의해 유도된 복수의 PA 신호(2610)는 트랜스듀서 어레이(2614)에 의해 검출되고, 본 기술 분야에 알려진 임의의 적절한 재구성 방법을 이용하여 PA 이미지(도시되지 않음)로 재구성된다.

도 26을 다시 참조하면, 일 양태에서, 복수의 초음파를 포함하는 PA 신호들(2610)은 트랜스듀서 어레이(2614)에서의 적어도 하나의 광학 공진기 기반 초음파 센서(2616)에 의해 수집된다. 본 명세서에서 설명된 임의의 적절한 광학 센서는 제한 없이 트랜스듀서 어레이(2614)에서의 광학 공진기 기반 초음파 센서(2616)로서 통합될 수 있다. 도 26에 도시된 바와 같이, 광음향 시스템(2600)은, 적어도 하나의 트랜스듀서 광원(2618)과, 트랜스듀서 어레이(2614)의 광학 공진기 기반 초음파 센서들(2616)에 동작가능하게 결합된 적어도 하나의 트랜스듀서 광 검출기(2620)를 더 포함한다. 광원(2618)은, 광을 광학 공진기 기반 초음파 센서들(2616)에 결합하는데 이용되는 적어도 하나의 결합 도파관(2622) 내로 지향되는 광을 생성한다. 트랜스듀서 광 검출기(2620)는, 광학 공진기 기반 초음파 센서(2616)의 WGM 공진기(2624)에 의해 변조되는 것으로서 적어도 하나의 결합 도파관(2622)으로부터 수신된 광을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 광 검출기(도시되지 않음)를 포함한다.

제어기(2626)는 PA 광원(2602)에 의해 생성된 레이저 펄스들(2604)에 응답하여 조직(2606)에 의해 생성된 PA 신호들(2610)을 검출하기 위해 트랜스듀서 어레이(2614)에서의 광학 센서들(2616)을 구동하는데 이용된다. 제어기(2626)는 트랜스듀서 광원들(2618) 및 트랜스듀서 광 검출기들(2620)을 통해 트랜스듀서 어레이(2614)에서의 각각의 광학 공진기 기반 초음파 센서(2616)에 동작가능하게 결합된다. 일부 양태들에서, 제어기는, 적어도 하나의 트랜스듀서 광 검출기(2620)의 출력을 검출기 출력들을 인코딩하는 전기 신호들로 변환하도록 구성된 신호 처리 모듈(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 또한, 제어기(2626)는 트랜스듀서 어레이(2614)로부터 수신된 신호들에 기초하여 초음파 이미지를 재구성하도록 구성된 PA 이미징 분석 모듈(2628)에 동작가능하게 결합된다. 일부 양태들에서, 제어기(2626)는 도 14 및 도 25에 도시되고 전술된 휴대용 구동 시스템과 유사한 광학 제어 모듈의 형태로 제공될 수 있다.

다양한 양태들에서, PA 광원(2602)의 적어도 하나의 펄스 레이저들 각각은 펄스 파장에서 복수의 레이저 펄스들을 생성할 수 있다. 펄스 파장은 펄스 파장에 의해 이미징될 특정 조직의 향상된 침투, 순환 종양 세포들의 비-라벨링된 시각화에 유용할 수 있는, 주변 구조들에 대한 관심 구조들의 향상된 콘트라스트, 및 NIR 염료들과 같은 조영제들의 관류의 SIP-PACT 이미징에 유용할 수 있는 관심 외인성 구조들의 향상된 콘트라스트를 포함하지만 이에 제한되지 않는 적어도 몇몇 인자들 중 임의의 하나 이상에 기초하여 선택될 수 있다. 일 양태에서, 약 650nm 내지 약 1350nm 범위의 펄스 파장은 이미징될 포유류의 전체 신체를 통한 광학 침투를 최대화하도록 선택될 수 있는데, 그 이유는 이 파장 범위가 이 "광학 윈도우" 밖에 있는 파장들에 비해 포유류 조직들 내에서 덜 감쇠되는 펄스 파장들을 포함하기 위한 것이기 때문이다. 하나의 특정 양태에서, PA 이미징 시스템(2600)을 이용하여 포유류 조직들에서 PA 이미징을 가능하게 하기 위해 약 1064nm의 펄스 파장이 선택될 수 있다.

다양한 양태들에서, PA 광원(2602)은 필요에 따라 단일 파장에서, 2개의 (이중) 파장들에서, 또는 3개 이상의 (다중) 파장들에서 레이저 펄스들을 생성할 수 있다. 다양한 양태들에서, 복수의 레이저 펄스들은 대략 650nm 내지 대략 1350nm의 범위 내의 하나 이상의 파장에서 생성될 수 있고, 그에 의해 동물 대상들의 전체 신체 이미징을 위한 최대 광학 침투를 가능하게 한다. 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 이 파장 범위는 생물학적 조직들을 통한 향상된 침투를 특징으로 한다; 예를 들어, 이 파장 범위는 포유류 조직들이 광을 최소로 감쇠시키는 펄스 파장들에 대응하는 것으로 이전에 알려져 있다.

다양한 다른 양태들에서, PA 이미징 시스템(2600)은 이미징될 특정 조직의 향상된 침투를 위해 선택된 단일 펄스 파장, 및/또는 주변 구조들에 대한 관심 구조들의 향상된 콘트라스트를 이용할 수 있다. 다른 양태에서, PA 이미징 시스템(2600)은 혈액 및 다른 조직들 내의 산소 포화도를 결정하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 기능적 이미징을 가능하게 하기 위해 이중 및/또는 다중 펄스 파장들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 제1 펄스 파장은 옥시-헤모글로빈(oxy-hemoglobin)에 대한 최대 콘트라스트를 가능하게 하기 위해 선택될 수 있고, 제2 펄스 파장은 데옥시-헤모글로빈(deoxy-hemoglobin)에 대한 최대 콘트라스트를 가능하게 하기 위해 선택될 수 있거나, 대안적으로, 모든 헤모글로빈에 대한 최대 콘트라스트를 가능하게 하기 위해 선택될 수 있다. 이중/다중 펄스 파장들은 또한 혈액 세포들, CTC들, 백혈구들, NIR 염료들과 같은 조영제들과 같은 상이한 구조들의 향상된 콘트라스트, 또는 관심 외인성 구조들의 향상된 콘트라스트(즉, NIR 염료들과 같은 조영제들의 관류)를 위해 선택될 수 있다. 다양한 양태들에서, PA 이미징 시스템(2600)은 20Hz 반복 레이트 및 12ns 펄스 폭을 갖는 LS-2145-LT-150 Ti-사파이어(Ti-Sa) 펄스 레이저(Symphotic Tii)와 같은 720 nm 레이저; 50Hz 반복 레이트 및 약 5ns 내지 약 9ns 범위의 펄스 폭을 갖는 DLS9050 펄스 레이저(Continuum)와 같은 1064 nm 레이저; 및 임의의 다른 적절한 펄스 레이저를 포함하지만 이에 제한되지 않는 단일 펄스 파장에서 레이저 펄스들을 생성하는 펄스 레이저를 포함할 수 있다.

다양한 양태들에서, PA 이미징 시스템(2600)의 PA 광학 모듈(2608)은 PA 광원(2602)에 의해 생성된 복수의 레이저 펄스를 이미징될 조직(2606) 내로 지향시키도록 구성된 하나 이상의 광학 요소를 포함한다. 일부 양태들에서, 초음파 트랜스듀서 어레이(2614)의 초점 영역은 레이저 펄스들(2604)에 의해 조명되는 이미징될 조직의 적어도 일부와 일치하여, 복수의 레이저 펄스(2604)에 의해 유도된 PA 신호들(2610)이 트랜스듀서 어레이(2614)에 의해 검출되고 하나 이상의 PA 이미지를 재구성하는데 이용된다.

다양한 양태들에서, PA 광학 모듈(2608)의 하나 이상의 광학 요소(도시되지 않음)는 적어도 하나의 펄스 레이저에 의해 생성된 복수의 레이저 펄스들을 수신하기 위해 PA 광원(2602)에 동작가능하게 결합된다. 또한, 하나 이상의 광학 요소는, 각각의 레이저 펄스의 이동 방향을 변경하는 것; 각각의 레이저 펄스의 단면 영역에 걸친 광 에너지의 분포를 광 에너지의 본질적으로 균일한 공간 분포로 재분배하는 것; 각각의 레이저 펄스의 단면 크기 및/또는 형상을 변경하는 것; 각각의 레이저 펄스의 광 강도 또는 플루언스(fluence)를 변조하는 것; 2개의 대응하는 펄스 레이저들에 의해 생성된 2개의 상이한 레이저 펄스들의 상대적 도달 시간을 변조하는 것; 하나 이상의 펄스 레이저로부터의 레이저 펄스들의 전송을 선택적으로 전송 또는 차단하는 것; 및 복수의 레이저 펄스들의 임의의 다른 적절한 변환을 포함하지만 이에 제한되지 않는 복수의 레이저 펄스들의 다양한 변환들을 수행하도록 구성된다.

PA 이미징 시스템(2600)의 PA 광학 모듈(2608) 내에 통합하기에 적합한 적합 광학 요소(suitable optical element)들의 비제한적인 예들은 프리즘들, 미러들, 확산기들, 콘덴서들, 렌즈들, 빔 스플리터들, 빔 결합기들, 광섬유들, 웨이브-가이드들, 및 레이저 펄스의 하나 이상의 특성을 수정하기에 적합한 임의의 다른 알려진 광학 요소 중 하나 이상을 포함한다. 하나 이상의 광학 요소를 이용하여 수정 및/또는 변조될 수 있는 레이저 펄스의 특성들의 비제한적인 예들은 단면 프로파일, 단면 치수들, 이동 방향, 파 속도, 파장, 편광, 강도, 위상, 파면 형상, 다른 레이저 펄스들과의 중첩, 단면 에너지 균일성, 펄스 폭, 펄스 시리즈들에서의 다른 레이저 펄스들에 대한 지연, 및 레이저 펄스의 임의의 다른 관련 특성들을 포함한다.

일 양태에서, 확산기는 에너지 강도가 레이저 펄스의 단면 영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 레이저 펄스 프로파일을 균일화하도록 구성될 수 있다. 적절한 확산기들의 비제한적인 예들은 링 확산기들과 같은 다양한 엔지니어링된 확산기들을 포함한다. 일 양태에서, 확산기는 EDC-10-A-1r(RPC 포토닉스)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 상업적으로 이용가능한 엔지니어링된 확산기일 수 있다. 적절한 콘덴서들의 비제한적인 예들은 맞춤형 링 콘덴서와 같은 다양한 맞춤형 콘덴서들을 포함한다. 적절한 프리즘들의 비제한적인 예들은 삼각 프리즘들, 마름모꼴 프리즘들, 및 임의의 다른 적절한 프리즘을 포함한다. 적절한 렌즈들의 비제한적인 예들은 볼록 렌즈들, 오목 렌즈들, 원통형 렌즈들, 반원통 렌즈들, 복합 렌즈들, 및 임의의 다른 적절한 렌즈를 포함한다. 다른 양태에서, 렌즈는 AX-FS-1-140-0 원추형 렌즈(델 마 포토닉스(Del Mar Photonics))를 포함하지만 이에 제한되지 않는 상업적으로 이용가능한 렌즈일 수 있다. 적절한 미러들의 비제한적인 예들은 평면 미러들, 볼록 미러들, 및 오목 미러들을 포함한다.

다양한 양태들에서, 하나 이상의 광학 요소는 이미징될 영역 또는 조직 및/또는 이미징의 타입에 따라 선택된 조명 접근법이 PA 이미징 시스템(2600)을 이용하여 수행될 수 있게 하도록 더 구성될 수 있다. 일 양태에서, 하나 이상의 광학 요소는 상부 조명 접근법(도 26 참조) 또는 측면 조명 접근법을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. PA 이미징 시스템(2600) 내에 통합된 특정 광학 요소들의 선택은 PA 이미징 시스템(2600)에 의해 이용될 조명 접근법에 의해 적어도 부분적으로 영향을 받을 수 있다.

III. 컴퓨팅 시스템들 및 디바이스들

도 8은 본 명세서에 설명된 방법들을 구현하기 위한 컴퓨팅 디바이스(800)의 간략화된 블록도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 컴퓨팅 디바이스(800)는 개시된 광학 공진기 기반 압력 센서 시스템을 이용하여 개시된 방법과 연관된 작업들의 적어도 일부를 구현하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 시스템(800)은 컴퓨팅 디바이스(802)를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 컴퓨팅 디바이스(802)는 데이터베이스 서버(806)를 또한 포함하는 서버 시스템(804)의 일부이다. 컴퓨팅 디바이스(802)는 데이터베이스 서버(806)를 통해 데이터베이스(808)와 통신한다. 컴퓨팅 디바이스(802)는 네트워크(850)를 통해 시스템(810) 및 사용자 컴퓨팅 디바이스(830)에 통신가능하게 결합된다. 네트워크(850)는 디바이스들 간의 근거리 또는 광역 통신을 가능하게 하는 임의의 네트워크일 수 있다. 예를 들어, 네트워크(850)는, 제한적인 것은 아니지만, 인터넷, LAN(local area network), WAN(wide area network), ISDN(integrated services digital network), 다이얼-업 접속(dial-up-connection), DSL(digital subscriber line), 셀룰러 전화 접속, 및 케이블 모뎀과 같은 네트워크 중 적어도 하나를 포함하는 많은 인터페이스들 중 적어도 하나를 통해 인터넷에 대한 통신 결합을 가능하게 할 수 있다. 사용자 컴퓨팅 디바이스(830)는, 제한적인 것은 아니지만, 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, PDA(personal digital assistant), 셀룰러 전화, 스마트폰, 태블릿, 패블릿, 웨어러블 전자기기, 스마트 시계, 또는 다른 웹 기반 접속가능 장비 또는 모바일 디바이스들을 포함하는, 인터넷에 액세스할 수 있는 임의의 디바이스일 수 있다.

다른 양태에서, 컴퓨팅 디바이스(802)는 전술한 초음파(US) 및 광음향(PA) 이미징 시스템들을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 광학 공진기 기반 음향 센서 및/또는 광학 공진기 기반 음향 센서를 포함하는 이미징 시스템의 동작과 연관된 복수의 작업들을 수행하도록 구성된다. 도 9는, 다른 관련된 컴퓨팅 컴포넌트들과 함께 데이터베이스(910)를 포함하는 컴퓨팅 디바이스(902)의 컴포넌트 구성(900)을 도시한다. 일부 양태들에서, 컴퓨팅 디바이스(902)는 (도 8에 도시된) 컴퓨팅 디바이스(802)와 유사하다. 사용자(904)는 컴퓨팅 디바이스(902)의 컴포넌트들에 액세스할 수 있다. 일부 양태들에서, 데이터베이스(910)는 (도 8에 도시된) 데이터베이스(808)와 유사하다.

일 양태에서, 데이터베이스(910)는 이미징 데이터(918) 및 알고리즘 데이터(912)를 포함한다. 적절한 이미징 데이터(918)의 비제한적인 예는, 초음파 이미징 데이터 또는 광음향 이미징 데이터를 포함하지만 이에 제한되지 않는 의료 이미징 데이터를 포함할 수 있다. 적절한 알고리즘 데이터(912)의 비제한적인 예는, 광학 WGM 공진기 기반의 음향 센서들, 초음파 이미징 시스템들, 및 광음향 이미징 시스템들의 동작을 정의하는 파라미터들의 임의의 값을 포함한다. 적절한 알고리즘 데이터(912)의 비제한적인 예는, 본 명세서에 설명된 개시된 방법과 연관된 알고리즘들을 정의하는 파라미터들의 임의의 값들, 및/또는 전술한 초음파 또는 광음향 이미지들을 재구성하는데 이용되는 임의의 이미지 재구성 알고리즘들을 포함한다.

컴퓨팅 디바이스(902)는 또한 특정 작업들을 수행하는 다수의 컴포넌트들을 포함한다. 예시적인 양태에서, 컴퓨팅 디바이스(902)는 데이터 저장 디바이스(930), 이미징 컴포넌트(940), 음향 센서 컴포넌트(950), 및 통신 컴포넌트(960)를 포함한다. 데이터 저장 디바이스(930)는, 데이터베이스(910)에 저장된 임의의 데이터 또는 컴퓨팅 디바이스(902)의 임의의 컴포넌트에 의해 구현된 프로세스들의 임의의 출력들과 같은, 컴퓨팅 디바이스(902)에 의해 수신되거나 생성된 데이터를 저장하도록 구성된다.

통신 컴포넌트(960)는 (도 8에 도시된) 네트워크(850)와 같은 네트워크, 또는 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)와 같은 미리 정의된 네트워크 프로토콜들을 이용하는 복수의 네트워크 접속들을 통해 컴퓨팅 디바이스(902)와 다른 디바이스들(예를 들어, 도 8에 도시된 사용자 컴퓨팅 디바이스(830) 및 시스템(810)) 사이의 통신을 가능하게 하도록 구성된다.

도 10은 (도 8에 도시된) 사용자 컴퓨팅 디바이스(830)와 같은 원격 또는 사용자 컴퓨팅 디바이스(1002)의 구성을 도시한다. 컴퓨팅 디바이스(1002)는 명령어들을 실행하기 위한 프로세서(1005)를 포함할 수 있다. 일부 양태들에서, 실행가능 명령어들은 메모리 영역(1010)에 저장될 수 있다. 프로세서(1005)는 (예를 들어, 멀티-코어 구성으로) 하나 이상의 처리 유닛을 포함할 수 있다. 메모리 영역(1010)은 실행가능 명령어들 및/또는 다른 데이터와 같은 정보가 저장 및 검색될 수 있게 하는 임의의 디바이스일 수 있다. 메모리 영역(1010)은 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있다.

컴퓨팅 디바이스(1002)는 또한 사용자(1001)에게 정보를 제시하기 위한 적어도 하나의 미디어 출력 컴포넌트(1015)를 포함할 수 있다. 미디어 출력 컴포넌트(1015)는 사용자(1001)에게 정보를 전달할 수 있는 임의의 컴포넌트일 수 있다. 일부 양태들에서, 미디어 출력 컴포넌트(1015)는 비디오 어댑터 및/또는 오디오 어댑터와 같은 출력 어댑터를 포함할 수 있다. 출력 어댑터는 프로세서(1005)에 동작가능하게 결합될 수 있고, 디스플레이 디바이스(예를 들어, 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이, 음극선관(CRT), 또는 "전자 잉크" 디스플레이) 또는 오디오 출력 디바이스(예를 들어, 스피커 또는 헤드폰들)와 같은 출력 디바이스에 동작가능하게 결합될 수 있다. 일부 양태들에서, 미디어 출력 컴포넌트(1015)는 사용자(1001)에게 대화형 사용자 인터페이스(예를 들어, 웹 브라우저 또는 클라이언트 애플리케이션)를 제시하도록 구성될 수 있다.

일부 양태들에서, 컴퓨팅 디바이스(1002)는 사용자(1001)로부터 입력을 수신하기 위한 입력 디바이스(1020)를 포함할 수 있다. 입력 디바이스(1020)는, 예를 들어, 키보드, 포인팅 디바이스, 마우스, 스타일러스, 터치 감응 패널(예를 들어, 터치 패드 또는 터치 스크린), 카메라, 자이로스코프, 가속도계, 위치 검출기, 및/또는 오디오 입력 디바이스를 포함할 수 있다. 터치 스크린과 같은 단일 컴포넌트는 미디어 출력 컴포넌트(1015)의 출력 디바이스 및 입력 디바이스(1020) 둘다로서 기능할 수 있다.

컴퓨팅 디바이스(1002)는 또한 원격 디바이스에 통신가능하게 결합될 수 있는 통신 인터페이스(1025)를 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(1025)는, 예를 들어, 모바일 전화 네트워크(예를 들어, GSM(Global System for Mobile communications), 3G, 4G 또는 블루투스) 또는 다른 모바일 데이터 네트워크(예를 들어, WIMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access))와 함께 이용하기 위한 유선 또는 무선 네트워크 어댑터 또는 무선 데이터 트랜시버를 포함할 수 있다.

메모리 영역(1010)에는, 예를 들어, 미디어 출력 컴포넌트(1015)를 통해 사용자(1001)에게 사용자 인터페이스를 제공하고, 선택사항으로서, 입력 디바이스(1020)로부터 입력을 수신 및 처리하기 위한 컴퓨터 판독가능 명령어들이 저장된다. 사용자 인터페이스는, 다른 가능성들 중에서도, 웹 브라우저 및 클라이언트 애플리케이션을 포함할 수 있다. 웹 브라우저들은, 사용자(1001)가 웹 서버로부터의 웹 페이지 또는 웹사이트 상에 전형적으로 임베딩된 미디어 및 기타의 정보를 디스플레이하고 이와 상호작용할 수 있게 한다. 클라이언트 애플리케이션은, 사용자(1001)가, 예를 들어, 벤더 또는 비즈니스와 연관된 서버 애플리케이션과 상호작용할 수 있게 한다.

도 11은 서버 시스템(1102)의 예시적인 구성을 도시한다. 서버 시스템(1102)은 데이터베이스 서버(806) 및 컴퓨팅 디바이스(802)(둘다 도 8에 도시됨)를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 일부 양태들에서, 서버 시스템(1102)은 (도 8에 도시된) 서버 시스템(804)과 유사하다. 서버 시스템(1102)은 명령어들을 실행하기 위한 프로세서(1105)를 포함할 수 있다. 명령어들은, 예를 들어, 메모리 영역(1110)에 저장될 수 있다. 프로세서(1105)는 하나 이상의 처리 유닛을(예를 들어, 멀티-코어 구성으로) 포함할 수 있다.

프로세서(1105)는 서버 시스템(1102)이 (도 8에 도시된) 사용자 컴퓨팅 디바이스(830) 또는 다른 서버 시스템(1102)과 같은 원격 디바이스와 통신할 수 있도록 통신 인터페이스(1115)에 동작가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 통신 인터페이스(1115)는 (도 8에 도시된) 네트워크(850)를 통해 사용자 컴퓨팅 디바이스(830)로부터 요청들을 수신할 수 있다.

프로세서(1105)는 또한 저장 디바이스(1110)에 동작가능하게 결합될 수 있다. 저장 디바이스(1110)는 데이터를 저장 및/또는 검색하기에 적합한 임의의 컴퓨터 동작 하드웨어일 수 있다. 일부 양태들에서, 저장 디바이스(1110)는 서버 시스템(1102)에 통합될 수 있다. 예를 들어, 서버 시스템(1102)은 하나 이상의 하드 디스크 드라이브를 저장 디바이스(1110)로서 포함할 수 있다. 다른 양태들에서, 저장 디바이스(1110)는 서버 시스템(1102) 외부에 있을 수 있고, 복수의 서버 시스템(1102)에 의해 액세스될 수 있다. 예를 들어, 저장 디바이스(1110)는 RAID(redundant array of inexpensive disks) 구성의 하드 디스크들 또는 고체 상태 디스크들과 같은 다수의 저장 유닛들을 포함할 수 있다. 저장 디바이스(1110)는 SAN(storage area network) 및/또는 NAS(network attached storage) 시스템을 포함할 수 있다.

일부 양태들에서, 프로세서(1105)는 저장 인터페이스(1120)를 통해 저장 디바이스(1110)에 동작가능하게 결합될 수 있다. 저장 인터페이스(1120)는 프로세서(1105)에 저장 디바이스(1110)에 대한 액세스를 제공할 수 있는 임의의 컴포넌트일 수 있다. 저장 인터페이스(1120)는, 예를 들어, ATA(Advanced Technology Attachment) 어댑터, SATA(Serial ATA) 어댑터, SCSI(Small Computer System Interface) 어댑터, RAID 제어기, SAN 어댑터, 네트워크 어댑터, 및/또는 프로세서(1105)에 저장 디바이스(1110)에 대한 액세스를 제공하는 임의의 컴포넌트를 포함할 수 있다.

메모리 영역들(1010(도 10에 도시됨) 및 1110)은 DRAM(dynamic RAM) 또는 SRAM(static RAM)과 같은 RAM(random access memory), ROM(read-only memory), EPROM(erasable programmable read-only memory), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), 및 NVRAM(non-volatile RAM)을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 상기의 메모리 타입들은 단지 예일 뿐이고, 따라서 컴퓨터 프로그램의 저장을 위해 이용가능한 메모리의 타입들에 관해 제한적이지 않다.

본 명세서에서 논의되는 컴퓨터 시스템들 및 컴퓨터 구현 방법들은 본 명세서의 다른 곳에서 논의되는 것들을 포함하는, 추가적인, 더 적은, 또는 대안적인 액션들 및/또는 기능성들을 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템들은 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장되는 컴퓨터 실행가능 명령어들을 포함하거나 이를 통해 구현될 수 있다. 방법들은 하나 이상의 로컬 또는 원격 프로세서, 트랜시버, 서버, 및/또는 센서(예컨대, 차량 또는 모바일 디바이스들 상에 장착되거나, 스마트 인프라구조 또는 원격 서버들과 연관되는 프로세서들, 트랜시버들, 서버들, 및/또는 센서들)을 통해, 및/또는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체들 또는 매체 상에 저장되는 컴퓨터 실행가능 명령어들을 통해 구현될 수 있다.

전술한 명세서에 기초하여 인식되는 바와 같이, 본 개시내용의 전술한 양태들은 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어 또는 이들의 임의의 조합 또는 서브세트를 포함하는 컴퓨터 프로그래밍 또는 엔지니어링 기술들을 이용하여 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 코드 수단을 갖는 임의의 그러한 결과 프로그램은 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 매체들 내에 구현되거나 제공될 수 있으며, 따라서 본 개시내용의 논의된 양태들에 따른 컴퓨터 프로그램 제품, 즉, 제조 물품을 제조할 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체들은, 예를 들어, 고정 (하드) 드라이브, 디스켓, 광학 디스크, 자기 테이프, 판독 전용 메모리(ROM)와 같은 반도체 메모리 및/또는 인터넷 또는 다른 통신 네트워크 또는 링크와 같은 임의의 전송/수신 매체일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 컴퓨터 코드를 포함하는 제조 물품은 하나의 매체로부터 직접 코드를 실행함으로써, 하나의 매체로부터 다른 매체로 코드를 복사함으로써, 또는 네트워크를 통해 코드를 전송함으로써 제조 및/또는 이용될 수 있다.

이러한 컴퓨터 프로그램들(프로그램들, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션들, "앱들" 또는 코드로도 알려짐)은 프로그램가능 프로세서를 위한 머신 명령어들을 포함하고, 고레벨 절차 및/또는 객체 지향 프로그래밍 언어로 및/또는 어셈블리/머신 언어로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 용어들 "머신 판독가능 매체", "컴퓨터 판독가능 매체"는 머신 명령어들을 머신 판독가능 신호로서 수신하는 머신 판독가능 매체를 포함하는 프로그램가능 프로세서에 머신 명령어들 및/또는 데이터를 제공하는데 이용되는 임의의 컴퓨터 프로그램 제품, 장치 및/또는 디바이스(예로서, 자기 디스크들, 광학 디스크들, 메모리, 프로그램가능 논리 디바이스(PLD)들)를 지칭한다. 그러나, "머신 판독가능 매체" 및 "컴퓨터 판독가능 매체"는 일시적 신호들을 포함하지 않는다. 용어 "머신 판독가능 신호"는 머신 명령어들 및/또는 데이터를 프로그램가능 프로세서에 제공하는데 이용되는 임의의 신호를 지칭한다.

본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 프로세서는 마이크로-제어기들, RISC(reduced instruction set circuits), ASIC(application specific integrated circuit)들, 로직 회로들, 및 본 명세서에서 설명되는 기능들을 실행할 수 있는 임의의 다른 회로 또는 프로세서를 이용하는 시스템들을 포함하는 임의의 프로그램가능 시스템을 포함할 수 있다. 상기의 예들은 단지 예일 뿐이고, 따라서 용어 "프로세서"의 정의 및/또는 의미를 어떤 식으로든 제한하도록 의도되지 않는다.

본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 용어들 "소프트웨어" 및 "펌웨어"는 상호교환가능하고, RAM 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 및 비휘발성 RAM(NVRAM) 메모리를 포함하는, 프로세서에 의한 실행을 위해 메모리에 저장된 임의의 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 상기의 메모리 타입들은 단지 예일 뿐이고, 따라서 컴퓨터 프로그램의 저장을 위해 이용가능한 메모리의 타입들에 관해 제한적이지 않다.

일 양태에서, 컴퓨터 프로그램이 제공되고, 프로그램은 컴퓨터 판독가능 매체 상에 구현된다. 일 양태에서, 시스템은 서버 컴퓨터에 대한 접속을 요구하지 않고 단일 컴퓨터 시스템 상에서 실행된다. 추가 양태에서, 시스템은 Windows® 환경(Windows는 워싱턴주 레드몬드 소재의 Microsoft Corporation의 등록 상표임)에서 실행되고 있다. 또 다른 양태에서, 시스템은 메인프레임 환경 및 UNIX® 서버 환경(UNIX는 영국 버크셔 리딩에 위치한 X/Open Company Limited의 등록 상표임)에서 실행된다. 애플리케이션은 유연하고 임의의 주요 기능성을 손상시키지 않고 다양한 상이한 환경들에서 실행되도록 설계된다.

일부 양태들에서, 시스템은 복수의 컴퓨팅 디바이스들 사이에 분산된 다수의 컴포넌트들을 포함한다. 하나 이상의 컴포넌트는 컴퓨터 판독가능 매체에 구현된 컴퓨터 실행가능 명령어들의 형태일 수 있다. 시스템들 및 프로세스들은 본 명세서에 설명된 특정 양태들로 제한되지 않는다. 또한, 각각의 시스템 및 각각의 프로세스의 컴포넌트들은 본 명세서에 설명된 다른 컴포넌트들 및 프로세스들과 독립적으로 그리고 별개로 실시될 수 있다. 각각의 컴포넌트 및 프로세스는 또한 다른 어셈블리 패키지들 및 프로세스들과 조합하여 이용될 수 있다. 본 양태들은 컴퓨터들 및/또는 컴퓨터 시스템들의 기능성 및 기능을 향상시킬 수 있다.

본 명세서에 설명된 정의들 및 방법들은 본 개시내용을 보다 잘 정의하고 본 개시내용의 실시에서 관련 기술분야의 통상의 기술자를 안내하기 위해 제공된다. 달리 언급되지 않는 한, 용어들은 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의한 통상의 이용에 따라 이해되어야 한다.

일부 실시예들에서, 본 개시내용의 특정 실시예들을 설명 및 청구하는데 이용되는 성분의 양, 특성, 예컨대 분자량, 반응 조건들 등을 표현하는 수치는 일부 경우들에서 용어 "약"에 의해 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 일부 실시예들에서, 용어 "약"은 값이 값을 결정하는데 이용되는 디바이스 또는 방법에 대한 평균의 표준 편차를 포함한다는 것을 나타내는데 이용된다. 일부 실시예들에서, 기재된 설명 및 첨부된 청구항들에 개시된 수치 파라미터들은 특정한 실시예에 의해 얻고자 하는 원하는 특성들에 따라 변할 수 있는 근사치들이다. 일부 실시예들에서, 수치 파라미터들은 보고된 유효 숫자들의 수에 비추어 및 통상의 반올림 기술들을 적용함으로써 해석되어야 한다. 본 개시내용의 일부 실시예들의 넓은 범위를 기재하는 수치 범위들 및 파라미터들은 근사치들임에도 불구하고, 특정 예들에 기재된 수치 값들은 가능한 한 정확하게 보고된다. 본 개시내용의 일부 실시예들에서 제시된 수치 값들은 반드시 그의 각각의 시험 측정들에서 발견되는 표준 편차로부터 초래되는 특정 오차들을 포함할 수 있다. 본 명세서에서의 값들의 범위들에 대한 언급은 단지 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 지칭하는 약칭 방법으로서 역할을 하는 것으로 의도된다. 본 명세서에 달리 나타내지 않는 한, 각각의 개별 값은 마치 본 명세서에 개별적으로 언급된 것처럼 명세서에 포함된다. 이산 값들의 언급은 각각의 값 사이의 범위들을 포함하는 것으로 이해된다.

일부 실시예들에서, 특정 실시예를 설명하는 맥락에서 (특히, 이하의 청구항들 중 특정 청구항의 맥락에서) 이용되는 단수 용어들("a" 및 "an" 및 "the") 및 유사한 참조들은, 구체적으로 달리 언급되지 않는 한, 단수 및 복수 둘다를 커버하는 것으로 해석될 수 있다. 일부 실시예들에서, 청구항들을 포함하여, 본 명세서에서 이용되는 바와 같은 용어 "또는"은, 대안들만을 지칭하도록 명시적으로 표시되거나 대안들이 상호 배타적이지 않는 한, "및/또는"을 의미하는 것으로 이용된다.

"포함한다(comprise)", "갖는다(have)" 및 "포함한다(include)"라는 용어들은 개방형 연결 동사들이다. "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)", "갖는다(has)", "갖는(having)", "포함한다(includes)" 및 "포함하는(including)"과 같은, 이러한 동사들 중 하나 이상의 임의의 형태들 또는 시제들 또한 개방형이다. 예를 들어, 하나 이상의 단계를 "포함한다(comprises)", "갖는다(has)" 또는 "포함한다(includes)"는 임의의 방법은 그러한 하나 이상의 단계만을 소유하는 것으로 제한되지 않고 또한 다른 열거되지 않은 단계들을 커버할 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 특징을 "포함한다(comprises)", "갖는다(has)" 또는 "포함한다(includes)"는 임의의 조성물 또는 디바이스는 그러한 하나 이상의 특징만을 소유하는 것으로 제한되지 않고 다른 열거되지 않은 특징들을 커버할 수 있다.

본 명세서에 설명된 모든 방법들은 본 명세서에서 달리 나타내거나 또는 문맥에 의해 달리 명백하게 모순되지 않는 한, 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서의 특정 실시예들과 관련하여 제공된 임의의 및 모든 예들, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "∼와 같은(such as)")의 이용은 단지 본 개시내용을 보다 잘 예시하기 위한 것이며, 달리 청구된 본 개시내용의 범주에 대한 제한을 부과하지 않는다. 본 명세서에서의 어떠한 언어도 본 개시내용의 실시에 필수적인 임의의 비-청구된 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에 개시된 본 개시내용의 대안적인 요소들 또는 실시예들의 그룹화들은 제한들로서 해석되지 않아야 한다. 각각의 그룹 멤버는 개별적으로 또는 본 명세서에서 발견되는 그룹의 다른 멤버들 또는 다른 요소들과 임의의 조합으로 참조되고 청구될 수 있다. 그룹의 하나 이상의 멤버는 편의성 또는 특허성의 이유로 그룹에 포함되거나 그룹으로부터 삭제될 수 있다. 임의의 그러한 포함 또는 삭제가 발생할 때, 명세서는 본 명세서에서 수정된 그룹을 포함하는 것으로 간주되고, 따라서 첨부된 청구항들에서 이용되는 모든 마쿠시 그룹들의 기재된 설명을 충족시킨다.

본 출원에서 인용된 임의의 간행물들, 특허들, 특허 출원들, 및 다른 참고문헌들은, 각각의 개별 간행물, 특허, 특허 출원 또는 다른 참고문헌이 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로 포함되는 것으로 구체적으로 및 개별적으로 표시된 것과 동일한 정도로 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다. 본 명세서에서의 참고문헌의 인용은 그러한 것이 본 개시내용에 대한 선행 기술임을 인정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

본 개시내용을 상세히 설명하였지만, 첨부된 청구항들에 정의된 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고서, 수정들, 변형들, 및 등가의 실시예들이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 또한, 본 개시내용에서의 모든 예들이 비제한적인 예들로서 제공된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (18)

1. 음향 센서로서,
   광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기;
   상기 공진기에 광학적으로 결합하기 위한 결합 도파관―상기 결합 도파관은 분리 갭에 의해 상기 공진기로부터 이격됨―; 및
   상기 결합 도파관의 부분 및 상기 공진기를 봉입하는 폴리머를 포함하고;
   상기 공진기 및 상기 결합 도파관 각각은 상기 폴리머의 대응하는 굴절 지수보다 높은 굴절 지수를 갖는
   음향 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 분리 갭은 상기 음향 센서가 상기 공진기 및 상기 결합 도파관의 임계 결합으로부터 선택된 동작 조건에서 또는 최대 부하 계수에서 동작하도록 선택되는, 음향 센서.
3. 제1항에 있어서,
   상기 공진기는 약 50μm 내지 약 200μm 범위의 직경을 포함하는, 음향 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 분리 갭은 약 0.6μm 내지 약 0.8μm의 범위인, 음향 센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 분리 갭은 상기 음향 센서의 동작 동안 최대 부하 계수를 야기하는, 음향 센서.
6. 제1항에 있어서,
   상기 결합 도파관은 약 1.5μm 미만의 최소 테이퍼 직경을 갖는 테이퍼형 광섬유인, 음향 센서.
7. 제1항에 있어서,
   상기 음향 센서는 압력 변동들을 상기 공진기를 통한 전송 진폭에서의 변동들로서 인코딩하는, 음향 센서.
8. 제1항에 있어서,
   상기 폴리머는 1.33의 굴절 지수를 갖는 UV-경화가능 폴리머인, 음향 센서.
9. 음향 감지 시스템으로서,
   광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기;
   상기 공진기에 광학적으로 결합하기 위한 결합 도파관―상기 결합 도파관은 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 갖고, 상기 결합 도파관은 분리 갭에 의해 상기 공진기로부터 이격됨―;
   상기 공진기 및 상기 결합 도파관의 부분을 봉입하는 폴리머;
   상기 폴리머로부터 돌출하는 상기 결합 도파관의 상기 제1 단부에 결합된 광원; 및
   상기 결합 도파관의 상기 제2 단부에 결합되고 상기 폴리머로부터 돌출하는 광 검출기를 포함하고;
   상기 공진기 및 상기 결합 도파관 각각은 상기 폴리머의 대응하는 굴절 지수보다 높은 굴절 지수를 갖는
   음향 감지 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    프로세서를 갖는 컴퓨팅 디바이스를 갖는 구동 시스템을 더 포함하고, 상기 구동 시스템은 상기 광원 및 상기 광 검출기에 동작가능하게 결합되고, 상기 구동 시스템은,
    파장들의 범위에서 상기 광원을 동작하고, 상기 광 검출기로부터 복수의 검출기 신호들을 수신함으로써, 전송 스펙트럼을 획득하고―상기 검출기 신호들은 상기 공진기에 결합된 결합 섬유를 통한 상기 광원으로부터의 광의 전송을 인코딩함―;
    상기 전송 스펙트럼에 기초하여 압력 변동들을 검출하기 위한 동작 파장을 선택하고;
    적어도 하나의 전송 스펙트럼에 기초하여 상기 분리 갭을 선택하고;
    상기 동작 파장에서 상기 광원을 동작하고, 상기 광 검출기로부터 제2 복수의 신호들을 수신함으로써, 압력 변동들을 검출하도록 구성되는, 음향 감지 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 음향 센서는 압력 변동들을 전송 진폭파 광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기에서의 변동들로서 인코딩하는, 음향 감지 시스템.
12. 초음파 이미징 디바이스로서,
    음향 센서를 포함하고, 상기 음향 센서는,
    광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기;
    상기 공진기에 광학적으로 결합하기 위한 결합 도파관―상기 결합 도파관은 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 갖고, 상기 결합 도파관은 분리 갭에 의해 상기 공진기로부터 이격됨―;
    상기 공진기 및 상기 결합 도파관의 부분을 봉입하는 폴리머;
    상기 폴리머로부터 돌출하는 상기 결합 도파관의 상기 제1 단부에 결합된 광원; 및
    상기 제1 단부에 대향하는 상기 결합 도파관의 상기 제2 단부에 결합되고 상기 폴리머로부터 돌출하는 광 검출기를 포함하고;
    상기 공진기 및 상기 결합 도파관 각각은 상기 폴리머의 대응하는 굴절 지수보다 높은 굴절 지수를 갖는
    초음파 이미징 디바이스.
13. 제12항에 있어서,
    상기 음향 센서는 압력 변동들을 상기 공진기를 통한 전송 진폭에서의 변동들로서 인코딩하는, 초음파 이미징 디바이스.
14. 제12항에 있어서,
    상기 음향 센서는 초음파 트랜스듀서에 의해 관심 영역 내로 지향된 흥분성(excitatory) 초음파 펄스들에 응답하여 상기 관심 영역 내에서 생성된 초음파 펄스들을 검출하도록 구성되는, 초음파 이미징 디바이스.
15. 광음향 이미징 디바이스로서,
    음향 센서를 포함하고, 상기 음향 센서는,
    광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기;
    상기 공진기에 광학적으로 결합하기 위한 결합 도파관―상기 결합 도파관은 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 갖고, 상기 결합 도파관은 분리 갭에 의해 상기 공진기로부터 이격됨―;
    상기 공진기 및 상기 결합 도파관의 부분을 봉입하는 폴리머;
    상기 폴리머로부터 돌출하는 상기 결합 도파관의 상기 제1 단부에 결합된 트랜스듀서 광원;
    상기 제1 단부에 대향하는 상기 결합 도파관의 상기 제2 단부에 결합되고 상기 폴리머로부터 돌출하는 트랜스듀서 광 검출기; 및
    광음향 광원을 포함하고;
    상기 공진기 및 상기 결합 도파관 각각은 상기 폴리머의 대응하는 굴절 지수보다 높은 굴절 지수를 갖는
    광음향 이미징 디바이스.
16. 제15항에 있어서,
    상기 음향 센서는 압력 변동들을 상기 공진기를 통한 전송 진폭에서의 변동들로서 인코딩하는, 초음파 이미징 디바이스.
17. 제15항에 있어서,
    상기 음향 센서는 상기 광음향 광원에 의해 생성된 레이저 펄스들에 의한 조명에 응답하여 관심 영역 내에서 생성된 광음향 신호들을 검출하도록 구성되는, 초음파 이미징 디바이스.
18. 초음파들을 검출하기 위한 방법으로서,
    음향 감지 시스템을 제공하는 단계―상기 음향 감지 시스템은,
    광학 위스퍼링 갤러리 모드 공진기;
    상기 공진기에 광학적으로 결합하기 위한 결합 도파관―상기 결합 도파관은 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 갖고, 상기 결합 도파관은 분리 갭에 의해 상기 공진기로부터 이격됨―;
    상기 공진기 및 상기 결합 도파관의 부분을 봉입하는 폴리머―상기 폴리머는 샘플 접촉 표면을 더 형성함―;
    상기 폴리머로부터 돌출하는 상기 결합 도파관의 상기 제1 단부에 결합하기 위한 광원; 및
    상기 결합 도파관의 상기 제2 단부에 결합하고 상기 폴리머로부터 돌출하는 광 검출기를 포함하고;
    상기 공진기 및 상기 결합 도파관 각각은 상기 폴리머의 대응하는 굴절 지수보다 높은 굴절 지수를 가짐―;
    샘플 내로부터 방출되는 초음파들이 상기 폴리머를 통해 상기 공진기 및 상기 결합 도파관의 부분에 전도되도록 상기 샘플 접촉 표면을 상기 샘플과 음향적으로 결합하는 단계;
    상기 광원에 의해 생성된 광을 상기 결합 도파관의 상기 제1 단부에 도입하는 단계;
    상기 광 검출기에 의해 검출된 상기 결합 도파관의 상기 제2 단부로부터의 광을 상기 검출된 광의 진폭을 인코딩하는 검출기 신호들로 변환하는 단계; 및
    미리결정된 캘리브레이션 규칙을 이용하여 상기 검출기 신호들을 압력으로 변환하는 단계를 포함하는
    방법.

Images