RU2746492C1 - Оптоакустический сенсор на основе структурного оптического волокна - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к медицине, а именно к оптоакустическим сенсорам. Оптоакустический сенсор включает структурное оптическое волокно с полой сердцевиной, функционально соединенное с многослойным Брэгговским отражателем с полосой отражения в заданном диапазоне. Оптоакустический сенсор выполнен с возможностью доставлять возбуждающее импульсное лазерное излучение в видимом диапазоне, ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, прошедшее без существенного ослабления через структурное оптическое волокно и прошедшее через многослойный Брэгговский отражатель. Брэгговский отражатель выполнен с возможностью пропускать возбуждающее излучение в видимом диапазоне, ближнем и среднем инфракрасном диапазоне за исключением полосы отражения в заданном диапазоне к объекту, обладающему способностью поглощать указанное излучение и генерировать акустический сигнал. Оптоакустический сенсор выполнен с возможностью детектировать указанный акустический сигнал, который воздействует на Брэгговский отражатель, вызывая его колебание, посредством регистрации частоты и амплитуды колебаний отражателя оптическим методом на основе интерферометрии с использованием излучения в полосе отражения Брэгговского отражателя в заданном диапазоне. Достигается возможность одновременно обеспечивать освещение исследуемого образца импульсным лазерным излучением и регистрацию акустического сигнала оптическим методом. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к оптоакустике, а именно к созданию оптоакустического сенсора, работающего в видимом и инфракрасном диапазонах, на основе комбинации структурного оптического волокна и Брэгговского отражателя. Оптоакустический сенсор может быть интегрирован в эндоскопические устройства. Изобретение может найти применение во многих областях науки и техники, в частности, в качестве сенсора для различных интраоперационных применений в медицине, в материаловедении для дефектоскопии композитных деталей со сложным рельефом.

Уровень техники

Эндоскопическое вмешательство позволяет проводить многие хирургические операции с минимальной инвазивностью, что уменьшает время послеоперационной реабилитации и время пребывания в стационаре. Эндоскопия применяется в кардиологии, гастроэнтерологии, гинекологии и других областях современной клинической медицины. Часто возникает необходимость анализа оперируемой ткани с целью определения ее свойств и границы норма-патология. Существующие технологии, такие как оптическая когерентная томография или флуоресцентная диффузионная томография, сильно ограничены в глубине проникновения сигнала и, таким образом, ограничивают глубину исследования ткани. Эндоскопическая ультразвуковая визуализация является популярной диагностической процедурой, однако она не дает функциональной информации о биохимическом составе тканей. Оптоакустика - это метод визуализации, основанный на возбуждении ткани светом определенной длины волны, характерной для того или иного хромофора, и регистрации ультразвукового сигнала, возбужденного тканью. Данный метод имеет значительно большую глубину проникновения по сравнению с чисто оптическими методами и позволяет получить информацию о химическом составе ткани без использования экзогенных хромофоров.

В ведущих клиниках РФ методом малоинвазивных технологий с использованием эндоскопической техники выполняется более 40% хирургических вмешательств. Рост числа таких операций за 15 лет с 1996 года составил более 400%. На сегодняшний день в РФ проводится более 12 миллионов эндоскопических исследований в год. Почти для каждой эндоскопической операции, особенно для вмешательств сопровождающихся идентификацией тканей на предмет патология/норма с последующей резекцией патологических тканей, необходимо наличие флуоресцентных, либо других маркеров, либо наличие безметочных методик, таких как CARS (когерентная антистоксовая спектроскопия комбинационного рассеяния) или оптоакустика.

В литературе описано несколько решений для эндоскопии на основе оптоакустики. В статье Yang JM, Favazza C, et al. Simultaneous functional photoacoustic and ultrasonic endoscopy of internal organs in vivo. Nat Med. 2012;18(8):1297–1302 описана проба диаметром 3.8 мм, обеспечивающая получение ультразвукового и оптоакустического изображение полых органов. Внутрисосудистый оптоакустический катетер был описан в D. Bozhko, et al., "Intravascular Optoacoustic Catheter with Extended Sensitivity Field," in Opto-Acoustic Methods and Applications in Biophotonics III, V. Ntziachristos, ed., Vol. 10415 of SPIE Proceedings (Optical Society of America, 2017), paper 1041502. В указанных выше работах для регистрация ультразвукового сигнала используется акустоэлектрический преобразователь (ультразвуковой датчик). Также, известен оптоакустический сенсор на основе стандартного оптоволокна и Фабри-Перо резонатора на его торце, что позволяет выполнять оптическую регистрацию ультразвука (US 6839496 B1 «Optical fibre probe for photoacoustic material analysis»; Ansari, R., et al. (2018). All-optical forward-viewing photoacoustic probe for high-resolution 3D endoscopy. Light: Science and Applications, 7(1)). В данной работе используется волокно с общим диаметром 3.2 мм, состоящее из 50000 ядер, на торце которого расположен Фабри-Перо резонатор, состоящий из двух полупрозрачных зеркальных покрытий и полимерного спейсера. Оптические характеристики Фабри-Перо резонатора обеспечивают пропускание импульсного лазерного излучения, необходимого для генерации оптоакустического сигнала от ткани. Акустический сигнал, приходящий от ткани, вызывает осцилляцию толщины полимерного спейсера, частота и амплитуда колебаний которых регистрируется оптическим методом на основе интерференции в Фабри-Перо резонаторе. Первая статья с использованием среднего инфракрасного (ИК) диапазона для оптоакустической микроскопии была опубликована в 2019 году (Pleitez, M. A., et al. “Label-free metabolic imaging by mid-infrared optoacoustic microscopy in living cells”, Nature Biotechnology, 2019). В этой работе в качестве образцов изучали клеточные культуры и было продемонстрировано картирование изображений клеток, дающих информацию о распределении эндогенных хромофоров (белков, липидов), полученную с помощью возбуждения оптоакустического сигнала в среднем ИК диапазоне. На данный момент авторам не известно ни одной работы, показывающей использование длины волны возбуждения оптоакустики в среднем ИК диапазоне в эндоскопии. Таким образом, область оптоакустических сенсоров интенсивно развивается, и в настоящий момент существует потребность в оптоакустических сенсорах в среднем ИК диапазоне для применения в эндоскопии, поскольку существующие решения способны работать только в видимом диапазоне и в начале ближнего ИК - диапазона.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание сенсора на основе структурного оптического волокна, обладающего возможностью возбуждать оптоакустический сигнал от объекта интереса в заданном спектральном диапазоне датчика (в частности, возбуждать оптоакустический сигнал в ближнем и среднем ИК диапазоне для применения в эндоскопии). Биологические маркеры стабильности атеросклеротических бляшек, такие как липиды и коллаген, имеют характерные пики поглощения в среднем ИК диапазоне, которые соответствуют возбуждению вибрационных уровней колебания молекул. Благодаря высокой специфичности совокупности этих пиков поглощения, данная область спектра называется областью «отпечатков пальцев» или finger-print region. Таким образом, возбуждая оптоакустический сигнал в данной спектральной области, возможно достичь высокую специфичность и чувствительность сигнала к упомянутым биомаркерам, что было показано в (Pleitez, M. A., et al. Nature Biotechnology, 2019). Целью такого рода измерений является выявление отношения концентрации липидов и коллагена внутри атеросклеротической бляшки, так как эта информация напрямую коррелирует со стабильностью бляшки.

Указанная задача решается путем создания оптоакустического сенсора, включающего структурное оптическое волокно с полой сердцевиной, функционально соединённое с многослойным Брэгговским отражателем с заданным спектром пропускания, при этом оптоакустический сенсор выполнен с возможностью: (а) доставлять импульсное лазерное излучение в видимом или инфракрасном диапазоне (включая ближний и средний ИК-диапазоны), прошедшее без существенного ослабления через волокно и отражатель, к объекту, обладающему способностью поглощать указанное излучение; и (б) детектировать акустический сигнал от объекта после поглощения указанного излучения.

В некоторых вариантах изобретения оптоакустический сенсор характеризуется тем, что оптическое волокно с полой сердцевиной соединяется с многослойным Брэгговским отражателем при помощи мембраны, состоящей из слоя углеродных нанотрубок.

В некоторых вариантах изобретения оптоакустический сенсор характеризуется тем, что диаметр полой сердцевины оптического волокна составляет от 10 до 300 мкм.

В некоторых вариантах изобретения оптоакустический сенсор характеризуется тем, что детектирует акустический сигнал от объекта, регистрируя амплитуду и частоту колебаний отражателя при помощи интерферометра.

В некоторых вариантах изобретения оптоакустический сенсор характеризуется тем, что в качестве многослойного Брэгговского отражателя используется набор из нескольких чередующихся слоев материала с высоким показателем преломления, а именно TiO₂, и материала с низким показателем преломления, а именно SiO₂.

Указанная задача также решается путем создания медицинского оборудования для исследования биологической ткани, включающее вышеописанный оптоакустический сенсор, средство для считывания обнаруженного сенсором акустического сигнала, источник монохроматического излучения в ближнем или среднем ИК диапазоне, источник монохроматического излучения в видимом диапазоне. В предпочтительном варианте может быть использован источник монохроматического излучения с возможностью перестройки в ближнем и/или среднем ИК диапазонах, то есть способный выбирать длину волны в определенном диапазоне. В некоторых вариантах изобретения средство для считывания обнаруженного сенсором акустического сигнала характеризуется тем, что включает в себя интерферометр Майкельсона, фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь и компьютер.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание нового типа сенсора на основе структурного оптического волокна, позволяющего возбуждать оптоакустический сигнал в ближнем и среднем ИК диапазонах.

Краткое описание рисунков

Фиг. 1. (А) Изображение одного из вариантов СОВ, полученное при помощи сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). (Б) Спектр пропускания одного из вариантов СОВ.

Фиг. 2. Схема работы одного из вариантов сенсора. А) Принцип работы сенсора. Сенсор состоит из СОВ, покрытого пленкой нанотрубок, на которую установлен Брэгговский отражатель. Мембрана и отражатель пропускают длину волны возбуждения и отражают длину волны считывания, Б) СЭМ изображение слоя углеродных нанотрубок мембраны, нанесенных на торец СОВ, В) СЭМ изображение среза Брэгговского зеркала, состоящего из слоев SiO₂/TiO₂, Г) Спектр пропускание СОВ без мембраны, СОВ с отражателем, и спектр отражения СОВ с отражателем.

Фиг. 3. Варианты осуществления функционального соединения СОВ с многослойным Брегговским отражателем. 1 - СОВ, 2 - слой нанотрубок, 3 - Брэгговское зеркало, 4 - акусто-оптическая призма, 5 - насадка, соединяющая мембрану и СОВ, 6 - слой подложки (силика, сапфир и прочее).

Фиг. 4. Вариант спектра пропускания используемого в сенсоре Брэгговского отражателя.

Фиг. 5. Система считывания колебаний отражателя, основанная на принципе интерферометра Майкельсона, присутствующая в одном из вариантов сенсора. ФП - фотоприемник (фотодетектор или ПЗС-матрица), СД – светоделитель, ПК – персональный компьютер или осциллограф или любое другое устройство, обрабатывающее электрический сигнал, СОВ - структурное оптическое волокно.

Фиг. 6. Изображение одного из вариантов отражателя, состоящего из пленки нанотрубок и Брэгговского отражателя, полученное при помощи сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Во вставке изображение моды образца, т.е. распространение излучение видимого диапазона по образцу.

Фиг. 7. Тестирование образцов СОВ с отражателем в качестве интерференционных сенсоров. Осцилляция сигнала по вертикальной оси соответствует изменению расстояний между сенсорами и светоделителем (см. Фиг. 5).

Подробное раскрытие изобретения

В описании данного изобретения термины «включает» и «включающий» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из». Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.

В данном изобретении описана модель сенсора, позволяющая реализовать оптоакустическую эндоскопию в видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах. Видимый диапазон позволяет визуализировать сосуды и исследовать оксигенацию в сосудах. Ближний и средник ИК диапазоны позволяют оценивать биохимический состав ткани: вода, липиды, белки и прочее (Pleitez, M. A., et al. Nature Biotechnology, 2019). Технология основана на использовании в качестве сенсора структурного оптического волокна (СОВ) с полой сердцевиной, пример структуры которого описан в патенте RU 2552590 C1, в комбинации с многослойным Брэгговским отражателем с заданным спектром пропускания. В предпочтительном варианте изобретения СОВ покрыто мембраной, к которой крепится многослойный Брэгговский отражатель. Под СОВ в данном описании следует понимать специальный тип оптического волокна, в котором имеется полая сердцевина, а оболочка имеет структуру двумерного фотонного кристалла. В большинстве случаев для создания СОВ используют стекло или плавленый кварц с отверстиями, заполненными воздухом. В случае, когда диаметр сердцевины СОВ варьируется от 100 до 300 мкм, такое оптическое волокно называют микроструктурированным (МОВ). В случае, когда диаметр сердцевины СОВ варьируется от 10 до 100 мкм, такое оптическое волокно называют фотонно-кристаллическим волокном (ФКВ). Указанные допустимые границы для диаметра сердцевины СОВ обусловлены эффективностью распространения световой волны необходимого диапазона. Для диаметра меньше 10 мкм стенки внутренних капилляров настолько тонкие, что могут удерживать в волокне только коротковолновое излучение (рентгеновское излучение). При диаметре более 300 мкм свет будет распространяться без каких-либо изменений, т.е. структура волокна не будет удерживать свет в ядре.

В качестве материала для волокна могут использоваться все типы мягких оптических и электровакуумных стекол (К-8, НС-3), а также кварцевое стекло и различные допированные стекла. Пример СОВ показан на Фиг. 1. Количество окружающих колец «капилляров» может варьироваться от 1 до 20. Ключевым для работы сенсора является способность СОВ пропускать оптическое излучение в области ближнего и среднего ИК диапазона. При этом, в стандартных оптических волокнах, не обладающих внутренней структурой, все излучение распространяется в материале и пропускание излучения определяется свойствами материала волокна (например, стекла или кварца). В случае структурного волокна часть излучения распространяется в воздухе, что и обеспечивает более широкие спектральные характеристики указанных волокон.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения комбинация СОВ с полой сердцевиной, функционально соединённая с многослойным Брэгговским отражателем, должна иметь следующие оптические свойства:

1) отражать свыше 50% приходящего излучения в определенной полосе (задаваемой Брэгговским отражателем) видимого диапазона (длина волны 400-700 нм);

2) пропускать свыше 20% приходящего излучения в ближнем (0.74-2.5 мкм) и частично в среднем инфракрасном диапазоне (2.5-10 мкм). Порог 20% следует рассматривать как нижнюю границу, и в наиболее предпочтительных вариантах пропускание должно составлять существенно больше 20%, а в идеальном варианте как можно ближе к 100%. Важно отметить, что СОВ имеет "окна" пропускания, т.е. процент пропускания зависит от длины волны приходящего излучения, и для работы сенсора будут использованы диапазоны длин волн, где пропускание происходит эффективно (как минимум свыше 20%). Схема работы одного из вариантов сенсора показана на Фиг. 2.

Возможно несколько вариантов осуществления функционального соединения СОВ с многослойным Брегговским отражателем (Фиг. 3). В первом варианте используется мембрана, состоящая, например, из слоя углеродных нанотрубок, которая нанесена непосредственно на торец волокна (адгезия обеспечивается межмолекулярным взаимодействием (Ван-дер-Ваальсовыми силами) между материалом мембраны и СОВ), а к другой части мембраны прикреплен Брэгговский отражатель (Фиг. 3А). Такая мембрана должна пропускать приходящее излучение как в видимом, так и в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, а также быть механически чувствительна к акустическим волнам в 1-100 МГц частотном диапазоне для детекции оптоакустического (ультразвукового) сигнала от ткани. Этот вариант является предпочтительным, поскольку описывает простой способ установки Брэгговского отражателя на торец СОВ. Мембрана, состоящая из слоя нанотрубок, обладает уникальными механическими свойствами – модулем Юнга и прочностью; это позволяет при субмикронной толщине мембраны выдерживать нанесенное на нее микронной толщины зеркало – Брэговский отражатель. Модуль Юнга для используемой пленки одностенных углеродных нанотрубок около 26 ГПа [Gubarev, V. M., Yakovlev, et al., (2019). Single-walled carbon nanotube membranes for optical applications in the extreme ultraviolet range. Carbon, 155, 734–739]. Помимо пленки нанотрубок в других вариантах изобретения возможно использовать пленку углеродных нанотрубок с слоями полиэлектролитов, нанесенными методом последовательной адсорбции полиэлектролитов (layer-by-layer assembly) [Shim, B. S., Zhu, J., Jan, E., Critchley, K., Ho, S., Podsiadlo, P., Sun, K., & Kotov, N. A. (2009). Multiparameter structural optimization of single-walled carbon nanotube composites: Toward record strength, stiffness, and toughness. ACS Nano, 3(7), 1711–1722]. Также могут использоваться многостенные углеродные нанотрубки, чьи механические свойства уступают одностенным трубкам, но стоимость производства значительно дешевле. Вместо слоя нанотрубок можно использовать полимерный слой (например, полимер Parylene C), полученный методом спинкоутинга или диппинга.

Во втором варианте осуществления (Фиг. 3Б) вспомогательная мембрана не используется, и Брэгговский отражатель непосредственно прикрепляется к СОВ (это может быть реализовано за счет полимерных материалов (клеев с ультрафиолетовым и термическим отверждением), обеспечивающих адгезию материала Брэгговского отражателя и СОВ). В третьем варианте осуществления предлагается сделать вспомогательную мембрану в виде подложки из прозрачного в среднем ИК диапазоне материала (например, из силики или сапфира) и затем фиксировать данную мембрану на некотором расстоянии от торца СОВ при помощи насадки (Фиг. 3В - Г - возможны 2 варианта расположения мембраны, перед или после отражателя).

Образцы СОВ, пригодные для осуществления изобретения, могут иметь различную геометрию. Полая сердцевина (ядро) может иметь круглую, эллиптическую или многоугольную форму. Количество колец капилляров, окружающих ядро, может варьироваться от 1 до 20. Размер ядра может варьироваться от 10 до 100 мкм для ФКВ и от 100 до 300 мкм для МОВ. Толщины стенок капилляров ФКВ и МОВ могут варьироваться от 100 нм до 10 мкм. В предпочтительном варианте изобретения в качестве СОВ используют ФКВ, описанные в патенте RU 2606796 C1 (опубл. 10.01.2017), то есть чипированные ФКВ, состоящие из центральной волноведущей жилы и структурированной оболочки в виде массива капилляров. Основным преимуществом являются оптические свойства таких волокон, которые одновременно выполняют роль оптического фильтра, а также такой вид структурирования может влиять и на распространения звуковых колебаний в таких системах, в частности выступать в качестве акустического резонатора и/или волновода. Также, такие СОВ обладают высокой лучевой прочностью (т.е. способностью пропускать высокомощные импульсы света), а также возможностью пропускать излучение в ближнем и среднем ИК диапазонах (наиболее часто используемые волокна, применяемые в волоконно-оптической связи, работают с минимальными потерями в спектральном диапазоне только до 2 мкм). Способ изготовления ФКВ также приведен в патенте RU 2606796 C1, при этом альтернативные виды СОВ, применимые при других вариантах сенсора, могут быть получены аналогичным способом.

Брэгговский отражатель (Брэгговское зеркало или распределенный диэлектрический отражатель) является структурой, которая состоит из чередующейся последовательности ультратонких (от десятков до сотен нанометров) слоев двух различных оптических (прозрачных) материалов с различным показателем преломления n. Оптические толщины слоев подбираются таким образом, чтобы при падении света на такую структуру возникающая интерференция для отраженных от границ раздела сред лучей приводила бы к их взаимному усилению. В результате в определенном диапазоне длин волн такая многослойная структура начинает очень эффективно (c коэффициентом близким к 100%) отражать свет, несмотря на то что каждый ее слой в отдельности прозрачен. Некоторые из возможных вариантов Брэгговских отражателей описаны в патенте RU 2536078 C1 (опубл. 20.12.2014), где также описаны способы их изготовления. В предпочтительном варианте изобретения в качестве многослойного Брэгговского отражателя используется набор из n бислоев, где n = 9. Слои располагаются по формуле H-L-H-L-H-L-H-L-H-L-H-L-H-L-H-L-H, где H — материал с высоким показателем преломления (был использован TiO₂), L — материал с низким показателем преломления (был использован SiO₂). Оптическая толщина слоёв составляет λ/4, где λ — длина волны отражения Брэгговского отражателя. Физическая толщина слоев высчитывается, как оптическая толщина слоя, деленная на коэффициент преломления материала. На Фиг. 4 показан вариант спектра пропускания используемого Брэгговского отражателя. Для этого варианта отражателя при отдалении от максимума отражения (635 нм, минимум пропускания) пропускание отражателя возрастает. Таким образом, в среднем ИК диапазоне (длина волны от 2000 нм и выше) можно считать, что пропускание варьируется от 80 до 100% и зависит от длины волны. Для осуществления изобретения подходят отражатели с полосой отражения в диапазоне 400-700 нм (например, 635 нм, как показано на Фиг. 4), а также, альтернативно, с полосой отражения в диапазоне 1000-1600 нм (толщины слоев Брэгговского отражателя в таком случае будут другие).

Принцип работы сенсора заключается в следующем. Брэгговский отражатель имеет заданную полосу отражения и пропускания (например, как показано на Фиг. 4). Длина волны возбуждения оптоакустики [λ_ex] (ближний ИК, средний ИК) проходит сквозь отражатель и освещают интересующую область (это может быть, например, биологическая ткань). Ткань поглощает излучение и генерирует ультразвук (из-за оптоакустического эффекта), который воздействует на этот же отражатель, вызывая его колебание. Для считывания (опрашивания) частоты и амплитуды этих колебаний используется излучение с длиной волны [λ_inter], находящейся в диапазоне отражения Брэгговского отражателя. В реализованном сенсоре для опрашивания отражателя обычно используются излучения видимого диапазона. Регистрация амплитуды и частоты колебаний отражателя осуществляется методом интерференции или используя автодинный эффект [Varev G.A., et al., Almanakh Klinicheskoy Meditsiny, XVII, Ch. 2, 164 (2008)]. Существует множество схем, способных реализовать интерференционный метод регистрации амплитуды и частоты колебаний отражателя: интерферометр Майкельсона, Фабри-Перо, Маха-Цендера, Саньяка и т.д. В предпочтительном варианте осуществления изобретения реализован интерферометр Майкельсона (Фиг. 5).

В предпочтительном варианте интерферометр состоит из двух плеч, интерферирующих друг с другом — измеряемого и референсного. Измеряемое плечо оканчивается СОВ с функционально соединённым Брэгговским отражателем, регистрирующим ультразвуковые колебания. Таким образом, в измеряемом плече фаза отраженного света модулируется колебанием отражателя. Референсное плечо оканчивается СОВ с неколеблющимся отражателем, следовательно, в референсном плече фаза света постоянна. Свет из двух плеч интерферометра интерферирует в светоделителе, при этом результирующее излучение преобразуется в электрический сигнал фотодиодом (или фотокамерой) и полученный электрический сигнал записывается с помощью DAQ (Data acquisition) карты. Данная карта необходима для обрабатывания и сохранения высокочастотного ультразвукового сигнала, так как скорости компьютера просто не хватает для таких процессов. Затем через DAQ карту сигнал, несущий информацию об амплитуде и частоте ультразвука, передается на ПК.

Примеры осуществления в настоящем описании приведены в целях раскрытия характеристик настоящего изобретения и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения.

В качестве СОВ авторы использовали образцы микроструктурированных оптических волокон длиной 6 см, изготовленные из одной преформы (заготовки) и имеющие одинаковую геометрию, которая представляет собой полую сердцевину (диаметр ~250 мкм), окруженную тремя рядами полых капилляров и внешней оболочкой (диаметр 550 мкм) для придания жесткости волокну. Толщина стенки первого ряда капилляров (ближний к полой сердцевине ряд) ~1.8 мкм (Фиг. 1). Изготовление образцов СОВ является частью технологического процесса производства сенсора, образцы СОВ были изготовлены на ООО НПП "Наноструктурная Технология Стекла" https://nano-glass.ru/ru/index.shtml.

На сегодняшний день авторами были получены порядка 150 образцов СОВ с функционально соединённым Брэгговским отражателем, имеющих различные свойства. Толщина мембраны из углеродных нанотрубок и спектр отражения Брэгговского отражателя варьировались, чтобы найти оптимальные спектральные свойства для отражения пробирующего (считывающего) излучения. Были измерены спектр пропускания и спектр отражения исследуемых образцов. Были получены изображения отражателя методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и растровой оптоакустической мезоскопии (Фиг. 6). На Фиг. 6 показано СЭМ изображение мембраны на торце СОВ, во вставке изображение моды распространение света в СОВ.

Данные образцы СОВ с отражателем были протестированы в качестве интерференционных сенсоров. Плечо интерферометра, в котором расположен СОВ+отражатель, мануально двигалось вдоль оптической оси с помощью микрометрового винта и разность хода лучей в двух плечах интерферометра регистрировалась с помощью фотодетектора и осциллографа. На Фиг. 7 показан график сигнала осциллографа, который показывает синусоиду при перемещении образца СОВ+ отражатель вдоль оптической оси вправо и, таким образом, пробирующее излучения видимого диапазона «набегает» разность фаз, что влечет за собой максимумы и минимумы интерференционной картины, детектируемой фотодетектором (пики на графике). Осцилляция сигнала по вертикальной оси соответствует изменению расстояний между сенсорами и светоделителем (см. Фиг. 5).

В качестве примера рассмотрим применение вышеописанного сенсора для определения стабильности атеросклеротических бляшек. Возможно использование сенсора, изображенного на Фиг. 2.

При эндоскопическом использовании сенсора к его торцу добавляется призма, которая обеспечивает доставку возбуждающего излучения к стенке сосуда, пораженного атеросклерозом. Данная призма также обеспечивает доставку ультразвукового сигнала, возникающего из-за оптоакустического эффекта, от ткани к отражателю на сенсоре. Стабильность бляшки определяется соотношением концентраций липидов и коллагена внутри бляшки. Характерные полосы поглощения данных биомаркеров находятся в ближнем и среднем ИК диапазонах. Таким образом, при варьировании длины волны возбуждающего излучения, используя, например, лазерный источник с перестраиваемой длиной волны, можно получить разные значения амплитуды акустического сигнала от разных биомаркеров (липиды, коллаген), которые регистрируются с помощью пробирующего излучения и интерференционной схемы. В качестве пробирующего излучения могут быть использованы два диапазона: видимый (400-700 нм) и телеком (1260-1360 нм + 1530-1565 нм). При использовании телеком диапазона оптическая схема считывания остается прежней (например, Фиг. 5) с учетом замены оптических элементов видимого диапазона на оптические элементы, работающие в ближнем ИК. В самом сенсоре (СОВ) меняются толщины слоев Брэгговского отражателя — полоса отражения отражателя должна соответствовать длине волны пробирующего излучения.

Возможность поступательного движения и вращения сенсора вокруг своей оси позволит получать трехмерное оптоакустическое изображение кровеносного сосуда. Данное изображение содержит информацию о биохимическом составе, в частности о соотношении биомаркеров липид/коллаген.

Описанный сенсор может быть использован интраоперационно: в кардиологии для определения стабильности (типа) атеросклеротических бляшек; в онкологии для определения границы норма-патология злокачественных опухолей. Кроме того, описанный сенсор может быть использован в материаловедение для дефектоскопии композитных деталей со сложным рельефом.

Несмотря на то что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные случаи приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.

Claims (11)

1. Оптоакустический сенсор, включающий структурное оптическое волокно с полой сердцевиной, функционально соединенное с многослойным Брэгговским отражателем с полосой отражения в заданном диапазоне, при этом оптоакустический сенсор выполнен с возможностью

а) доставлять возбуждающее импульсное лазерное излучение в видимом диапазоне, ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, прошедшее без существенного ослабления через структурное оптическое волокно и прошедшее через многослойный Брэгговский отражатель, выполненный с возможностью пропускать возбуждающее излучение в видимом диапазоне, ближнем и среднем инфракрасном диапазоне за исключением полосы отражения в заданном диапазоне, к объекту, обладающему способностью поглощать указанное излучение и генерировать акустический сигнал,

б) детектировать указанный акустический сигнал, который воздействует на Брэгговский отражатель, вызывая его колебание, посредством регистрации частоты и амплитуды колебаний отражателя оптическим методом на основе интерферометрии с использованием излучения в полосе отражения Брэгговского отражателя в заданном диапазоне.

2. Оптоакустический сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что оптическое волокно с полой сердцевиной соединяется с многослойным Брэгговским отражателем при помощи мембраны, состоящей из слоя углеродных нанотрубок.

3. Оптоакустический сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что полоса отражения Брэгговского отражателя находится в диапазоне от 400 до 700 нм.

4. Оптоакустический сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что полоса отражения Брэгговского отражателя находится в диапазоне от 1000 до 1600 нм.

5. Оптоакустический сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что диаметр полой сердцевины оптического волокна составляет от 10 до 300 мкм.

6. Оптоакустический сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что полую сердцевину структурного оптического волокна окружают капилляры.

7. Оптоакустический сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве многослойного Брэгговского отражателя используется набор из чередующихся слоев материала с высоким показателем преломления, а именно TiO₂, и материала с низким показателем преломления, а именно SiO₂.

8. Медицинское оборудование для исследования биологической ткани, включающее оптоакустический сенсор по п. 1, средство для считывания обнаруженного сенсором акустического сигнала, источник монохроматического излучения в ближнем или среднем ИК диапазоне, источник монохроматического излучения в видимом диапазоне.

9. Медицинское оборудование по п. 8, характеризующееся тем, что средство для считывания обнаруженного сенсором акустического сигнала включает интерферометр Майкельсона, фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь и компьютер.

Images