Оптически прозрачный датчик для оптоакустической микроскопии оптического разрешения

Полезная модель относится к области оптоакустики, а именно к оптоакустической микроскопии оптического разрешения (ОАМ-ОР). ОАМ-ОР позволяет получать с высоким контрастом изображения мельчайших сосудов биологических тканей - капилляров. Глубина изображений в таких системах, как правило, ограничена 1 мм, а разрешение может достигать менее 1 мкм. При визуализации сосудов ткани зондируются фокусированными лазерными импульсами, в результате чего в исследуемой среде возникают ультразвуковые волны, регистрируемые пьезодатчиком. Трехмерное изображение получается за счет сканирования объекта оптическим лучом или всей системой оптической фокусировки вместе с датчиком.
Изобретение, описанное в патенте KR 101749602 «Optical resolution photoacoustic microscopy using non-conductive fluid, and photoacoustic image acquisition system and method using the same» (публ. 21.06.2017 г., МПК G01N 21/17, G01N 29/06, G01N 29/24, G02B 7/30), относится к фотоакустическому микроскопу и содержит внешний источник лазерного излучения, ультразвуковой преобразователь, оптико-акустический блок, отражающий излучение лазера и пропускающий фотоакустический сигнал, генерируемый от объекта, в направлении ультразвукового преобразователя.
В патенте US 9226666 «Confocal photoacoustic microscopy with optical lateral resolution» (публ. 05.01.2016 г., МПК A61B 5/00, A61B 8/00, G01N 21/17, G01N 29/06, G01N 29/24, G02B 21/00, A61B 8/08) предложен способ определения коэффициента поглощения гемоглобина, использующий устройство, в основе которого лежит прием фотоакустического сигнала, излучаемого объектом в ответ на, по меньшей мере, один световой импульс.
В патенте JP 5885600 «Photoacoustic microscopes (публ. 09.01.2014 г., МПК G01B 11/00, G01B 11/24, G02B 21/00) описан фотоакустический микроскоп, способный выполнять высокоскоростное сканирование, получать изображение фотоакустической волны с высокой точностью измерения за короткое время и легко реагировать на изменение глубины наблюдения.
В конфигурациях, приведенных выше систем, для разделения оптического луча и акустической волны применяются либо оптико-акустические сумматоры при использовании стандартных ультразвуковых датчиков, либо специальные конфигурации самих датчиков, позволяющие пропускать свет через центральное отверстие или по периферии. Однако использование в комбинированных системах большого количества оптических и акустических элементов может приводить к нежелательным искажениям, как в формировании оптического луча, так и в приеме ультразвуковой волны. Применение ультразвуковых детекторов кольцевой формы с удаленной центральной частью ослабляет акустическую чувствительность и отношение сигнал/шум.
Наиболее близким к заявленному устройству является датчик для оптоакустической микроскопии, описанный в статье «А focused optically transparent PVDF transducer for photoacoustic microscopy» (C. Fang, H. Hu, J. Zou, IEEE Sens. J. 20, 2313, 2020 г.). В ней рассматривается конструкция прозрачного датчика. На вогнутой стеклянной линзе размещается прозрачный преобразователь PVDF в виде тонкой пленки, покрытой электродами. Прозрачный преобразователь PVDF, являющийся приемным элементом, обладает высоким (>80%) оптическим пропусканием в диапазоне длин волн 250-900 нм. Возникающие ультразвуковые импульсы принимались преобразователем и усиливались усилителем, встроенным в генератор-приемник. Основным недостатком датчика, приведенного в статье, как сообщают авторы, является то, что разработанный преобразователь обладает низкой чувствительностью, связанной с конструкцией устройства. Одной из причин как указано в самой приведенной работе является несоответствие электрического импеданса между датчиком и усилителем. Авторами прототипа для получения четких и контрастных изображений проводилось 16-кратное усреднение сигнала, что свидетельствует о достаточно большом значении NEP датчика. При сравнении чувствительности разных датчиков часто используют величину шумовой эквивалент давления NEP, который характеризует уровень шума, выраженный в единицах давления. Это величина определяется как отношение стандартного отклонения шума к усредненному значению чувствительности.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка оптически прозрачного датчика для оптоакустической микроскопии, имеющего высокую чувствительность, среднее значение которой не меньше 1 мкВ/Па во всей рабочей полосе частот.
Технический результат достигается за счет того, что разработанное устройство также, как и устройство-прототип содержит корпус с закрепленным в нем светопропускающим приемным элементом из пьезопленки, через который проходит сфокусированный лазерный луч к исследуемому объекту, при этом приемный элемент соединен с широкополосным усилителем. Новым является то, что широкополосный усилитель представляет собой двухкаскадный усилитель, при этом между первым каскадом, обеспечивающим высокий входной импеданс в широкой полосе частот, и вторым каскадом, обеспечивающим равномерное усиление сигнала в этой же полосе, установлен фильтр, подавляющий низкочастотную часть спектра входного сигнала.
Разработанная полезная модель поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 схематически представлен разработанный оптически прозрачный датчик ультразвуковых сигналов: а) светопропускающий приемный элемент, б) датчик, закрепленный на объективе.
На фиг. 2 представлена фотография разработанного оптически прозрачного датчика ультразвуковых сигналов.
На фиг. 3 представлена блок-схема установки для оптоакустической микроскопии оптического разрешения с использованием разработанного оптически прозрачного датчика ультразвуковых сигналов.
На фиг. 4 представлен результат трехмерной оптоакустической микроскопии при исследовании кровеносных сосудов края уха мыши.
На фиг. 5 представлен результат трехмерной оптоакустической микроскопии: визуализация углеродных волокон диаметром 7 мкм.
На фиг. 1 приведена схема конструкции оптически прозрачного датчика 1, закрепленного на объективе 2. В корпусе 3 датчика 1 закреплен светопропускающий приемный элемент 4 из пьезопленки, через который проходит сфокусированный лазерный луч к исследуемому объекту 5 (см. фиг. 3). В корпусе 3 датчика 1 расположен двухкаскадный широкополосный усилитель 6, который соединен с электродами этого приемного элемента 4.
В конкретном случае реализации приемный элемент 4 датчика 1 представляет собой пьезополимерную ПВДФ (поливинилиденфторид) пленку со светопропускающими ITO (оксид индия-олова) электродами, зафиксированную с помощью проводящего клея 7 между двумя пластиковыми шайбами 8 диаметром D с внутренним диаметром d (диаметр приемной области датчика 1). В изготовленном авторами образце диаметр D составлял 5 мм, а внутренний диаметр d равен 2,5 мм. Сигнал с приемного элемента 4 идет на двухкаскадный широкополосный усилитель 6 с габаритными размерами 13 мм × 7 мм × 2 мм. Первый каскад усилителя 6 обеспечивает высокий входной импеданс в широкой полосе частот (от 1 до 100 МГц). Между каскадами усиления установлен RC фильтр, подавляющий низкочастотную часть спектра (ниже 1 МГц) входного сигнала. Второй каскад обеспечивает непосредственно равномерное усиление (К=30) полученного сигнала также во всей полосе до 100 МГц. Приемный элемент 4 датчика 1 вместе с усилителем 6 герметично размещен в корпусе 3, который выполнен из пластика и напечатан на 3Д принтере (Shuffle, Phrozen, Китай). Оптически прозрачный датчик 1 обеспечен необходимым экранированием от внешних электрических помех, в том числе создаваемых металлическим корпусом оптического объектива 2. С внешней и внутренней стороны корпус 3 датчика 1 покрыт серебряными чернилами 9 для экранирования от внешних электрических помех. Поверх серебряных чернил 9 нанесен защитный слой 10 (тонкий слой лака) для предотвращения разрушения экранирующего слоя. Разработанный датчик 1 (см. фиг. 3) закрепляется на объективе 2, например, при помощи трех винтов 11 (см. фиг. 3). Также от усилителя 6 отходит дополнительный заземляющий провод к объективу 2, металлический корпус которого может создавать наводки и дополнительный уровень шумов на сигнальном электроде пьезопленки.
На фиг. 3 приведена блок-схема установки ОАМ-ОР, реализованной с использованием разработанного оптически прозрачного датчика 1. В качестве источника 12 зондирующего излучения в установке используется наносекундный твердотельный лазер (Onda 532, BrightSolutions, Италия) с длиной волны 532 нм. Управление лазерным лучом осуществляется при помощи 2-осевых сканеров 13 Galvo (6215Н, Cambridge Technology/США). После чего луч доставляется в объектив 2 с числовой апертурой NA=1 (W-Plan Apochrom 20х/1.0 DIC, Zeiss, Германия), который фокусирует лазерное излучение в исследуемом объекте 5 (например, в биологических тканях), тем самым обеспечивая субмикронное разрешение получаемых изображений. Регистрируются ультразвуковые сигналы прозрачным датчиком 1, установленным на самом объективе 2. Затем сигналы оцифровываются аналого-цифровым преобразователем 14 (АЦП) и записываются на компьютере 15. Для точного выбора интересующей области исследования объекта 5 объектив 2 с оптически прозрачным датчиком 1 размещены на 3-х координатных подвижках 16, управляемых с компьютера 15 при помощи контроллеров движения 17. В ходе исследований на объект 5 наносится тонкий слой ультразвукового геля для акустической связи.
Использование двухкаскадного усилителя 6 позволяет согласовывать импеданс усилителя 6 с электрическим импедансом приемного элемента 4. Что обеспечивает высокую чувствительность разработанного датчика 1.
Фокусировка лазерного излучения осуществляется напрямую через датчик 1, установленный на оптическом объективе 2. Такой способ предлагает более простую реализации систем ОАМ-ОР без использования дополнительных элементов для разделения оптического и акустического трактов. Разработанный датчик 1 допускает комбинирование с различными объективами 2 и, таким образом, легкую интеграцию с другими методами визуализации, использующими ту же оптику, например, оптическую когерентную томографию (ОКТ). При этом ОАМ-ОР в сочетании с оптически прозрачным датчиком 1 ультразвуковых сигналов позволяет получать in vivo изображения с субмикронным разрешением и высоким отношением сигнал/шум. Примеры подобных изображений приведены на фиг. 4 и фиг. 5, полученных авторами с помощью разработанного устройства.
Авторами был проведен ряд экспериментов для оценки чувствительности разработанного оптически прозрачного датчика ультразвуковых сигналов в полосе частот от 1 до 16 МГц. Для калибровки заявляемого датчика использовались резонансные излучатели, перекрывающие эту частотную полосу, и коммерческий игольчатый гидрофон NH1000 (Precision Acoustic, Великобритания) с известной характеристикой чувствительности для частотной полосы от 1 до 16 МГц. Среднее значение чувствительности заявленного устройства составило 2,7 мкВ/Па. Шумовой эквивалент давления NEP составил 8,5 Па при уровне шума оптически прозрачного датчика 22,9 мкВ в полосе от 1 до 100 МГц.
К примеру, значение NEP игольчатого гидрофона NH1000 составляет 85 Па. Такое небольшое значение шумового эквивалента давления для разработанного датчика позволяет регистрировать слабые сигнала от мельчайших капилляров и углеродных волокон диаметром 7 мкм без каких-либо усреднений сигнала.