High sensitivity interferometric sensors for optoacoustic imaging in biomedical applications

La tomografía optoacústica (OAT) es una técnica de bioimagen emergente que combina las ventajas de las técnicas de imagen ópticas, como el alto contraste y las capacidades espectroscópicas, con la excelente resolución de las técnicas de imagen ultrasónicas. La absorción óptica de un pulso láser corto por los cromóforos endógenos o exógenos presentes en los tejidos blandos produce un incremento instantáneo de su temperatura. Debido al efecto termoacústico se generan pulsos de ultrasonidos. Esta conversión de energía óptica en acústica se conoce como efecto optoacústico. El típico espectro de esta emisión acústica cubre un amplio rango de frecuencias desde 100 kHz a decenas de megahercios. Por ello, la detección de señales optoacústicas requiere el uso de sensores de gran ancho de banda y alta sensibilidad para poder resolver las estructuras absorbentes de diferentes tamaños presentes en los tejidos. El éxito de las técnicas de imagen optoacústica como nueva modalidad de imagen médica y la diversidad de sus aplicaciones dependen del desarrollo de transductores de ultrasonidos de banda ultra ancha y alta sensibilidad que actualmente no están presentes comercialmente. La tecnología de detección tradicionalmente usada en imágenes convencionales de ultrasonidos está basada en transductores piezoeléctricos resonantes. Éstos ofrecen una alta sensibilidad pero presentan un ancho de banda estrecho. Por esto, los transductores piezoeléctricos convencionales no están especialmente indicados para su uso como sensores en sistemas optoacústicos de imagen. Como alternativa se han propuesto nuevos transductores basados en películas finas de polímero piezoeléctrico, como el PVDF, que pueden tener un gran ancho de banda usando materiales de adaptación adecuados. Sin embargo, su sensibilidad decrece cuando su tamaño se reduce. Esto supone un problema para la detección a altas frecuencias, donde la necesidad de un elemento transductor de grosor y anchura pequeños, para tener una alta resolución axial y lateral, reduce su sensibilidad. Otras desventajas de los sensores piezoeléctricos son que dada su naturaleza eléctrica no son inmunes a la interferencia electromagnética y contienen partes metálicas por lo que no se pueden combinar con otras técnicas de imágenes como la resonancia magnética nuclear (RMN). La detección óptica de ultrasonidos ha sido estudiada como alternativa a la tecnología piezoeléctrica desde hace más de 30 años. Podemos distinguir dos tipos de sensores ópticos de ultrasonidos: los que registran los desplazamientos inducidos por la presión en membranas o en cavidades ópticas resonantes, y los que se basan en la variación del índice de refracción inducido por la presión dentro o alrededor del material sensor. Todos estos sensores ópticos, al contrario que los transductores piezoeléctricos, son inmunes a perturbaciones electromagnéticas externas u otros efectos como el ruido eléctrico o las señales térmicas producidas por la iluminación directa del pulso láser. Además, en general, presentan un gran ancho de banda de detección y una gran resolución ya que el área sensible es tan pequeña como la región donde la luz está confinada. En particular, la fabricación de sensores interferométricos intrínsecos de fibra óptica es simple e involucra materiales de bajo coste. La sensibilidad puede ser mejorada por medio de un plegado o arrollamiento apropiado de la fibra aumentando la longitud en la que el campo acústico interacciona con la luz. Esta tesis está dedicada al estudio de sensores interferométricos, en su mayoría de fibra óptica, desarrollados para la detección de ondas generadas optoacústicamente. Utilizando este tipo de sensores se implementó un sistema de mamografía optoacústico. Se obtuvieron imágenes de fantomas (phantoms) que imitan las propiedades ópticas y mecánicas de los tejidos blandos. Se compararon los resultados con los obtenidos con prototipos comerciales basados en tecnología piezoeléctrica. El presente trabajo también está centrado en la búsqueda del aumento de la sensibilidad de los sensores interferométricos para la detección de ultrasonidos. Se ha realizado una caracterización de la sensibilidad acústica intrínseca a frecuencias ultrasónicas de los diferentes tipos de fibra óptica disponibles actualmente para su uso como sensores. Demostramos experimentalmente por primera vez que la sensibilidad ultrasónica de los sensores interferométricos de fibra óptica monomodo de polímero de salto de índice (SMPOF) es superior en un orden de magnitud que sus homólogos de sílice. Sin embargo, las SMPOF ya no están disponibles comercialmente y el rendimiento óptico de las muestras fue muy pobre. Esto las hace muy poco prácticas para su implementación en la aplicación final. La falta de buenas SMPOF nos llevó a explorar el uso de fibras ópticas de polímero multimodo de gradiente de índice a costa de la degradación de la visibilidad de la interferencia resultado de la interacción de los múltiples modos presentes en la fibra. Aunque estas fibras mostraron una muy buena respuesta acústica, la interferencia era muy inestable. Finalmente, los recientes avances en fibras ópticas microestructuradas de polímero han proporcionado las mejores fibras ópticas disponibles actualmente para la detección ultrasónica por su combinación de gran sensibilidad y buenas propiedades ópticas para su aplicación optoacústica. Por último, este trabajo sobre interferometría láser de fibra óptica ha motivado el desarrollo de un nuevo algoritmo de demodulación homodina pasiva para la extracción de la fase y de todos los parámetros que caracterizan el estado del interferómetro. Presentamos este algoritmo, basado en el análisis espectral de la señal interferencial, que permite, entre otras muchas aplicaciones, la caracterización de los moduladores de fase empleados para la estabilización homodina activa de los sensores interferométricos.Optoacoustic tomography (OAT) is an emerging bioimaging technique that combines the advantages of the optical procedures, as high contrast and spectroscopic capabilities, with the excellent resolution of the ultrasonic imaging methods. The optical absorption of a short laser pulse by the endogenous or exogenous chromophores present in soft tissues, produces a rapid heating. Ultrasonic pulses are generated due to the thermoacoustic effect. This conversion of optical energy into acoustic energy is known as optoacoustic effect. The typical spectrum of this acoustic emission covers a broad range of frequencies from 100 kHz to tens of megaherzs. Therefore the detection of optoacoustic signals requires the use of sensors with high bandwidth and high sensitivity to be able of resolving the absorption regions of different sizes present in the tissue. The success of the optoacoustic imaging techniques as a new modality of biomedical imaging and the variety of its applications depends on the development of ultrawideband and high sensitivity ultrasonic transducers not currently commercially available. The technology of detection traditionally used in conventional ultrasonic imaging is based on piezoelectric resonant transducers. These offer high sensitivity but have a narrow bandwidth. Thereby, conventional piezoelectric transducers are not especially recommended for their use as sensors for optoacoustic imaging systems. As an alternative, it have been proposed new transducers based on thin layers of piezoelectric polymer, as PVDF, which may have a high bandwidth employing suitable adaptive materials. Nevertheless, their sensitivity decreases when its size is reduced. This means a problem when considering the detection of high ultrasonic frequencies, where both the small thickness of the detector (required for high axial resolution) and the small width of the transducer element (needed for high lateral resolution and improved image fidelity), reduce its sensitivity. Other drawbacks of the piezoelectric sensors are that they are not immune to electromagnetic interference, given its electric nature, and contain metallic parts thus they cannot be combined with other imaging approaches such as magnetic nuclear resonance (MNR). Ultrasound optical detection has been studied as alternative to piezoelectric technology for more than 30 years. We can distinguish two kind of ultrasonic optical sensors: those that monitorize pressure induced displacements of a membrane or resonant optical cavity; and those based on a pressure induced refractive index variation in or around the sensor material. All these optical sensors, as opposed to to the piezoelectric transducers, are immune to the external electromagnetic perturbations or other effects as the electrical noise or the thermal signals produced by the direct illumination of the laser pulse. Furthermore, they generally exhibit a high detection bandwidth and a high resolution since the sensitive area is as small as the region where the light is confined. Particularly, the manufacture of interferometric intrinsic fiber optic sensors is straighforward and involves low cost materials. The sensitivity can be improved by a correct wound or folding of the fiber, increasing the interaction length between the acoustic field and the light. This dissertation is aimed to the study of interferometric sensors, mostly of optical fiber, developed for the detection of optoacoustically generated waves. Using this kind of sensors, an optoacoustic mammographic system was implemented. Images of phantoms that mimic the optical and mechanical properties of soft tissues were obtained. The results were compared with those acquired with commercial prototypes based on piezoelectric technology. The current work is focused as well on the search for increased sensitivity of interferometric sensors for ultrasound detection. A characterization of the intrinsic acoustic sensitivity at ultrasonic frequencies of the different kinds of optical fiber currently obtainable for its use as sensors has been performed. We experimentally demonstrate, for the first time, than the ultrasonic sensitivity of the interferometric sensors of step index single-mode polymer optical fiber (SMPOF) is greater than one order of magnitude than its silica counterparts. However, the SMPOF rarely are commercially available and the optical performance of the samples were quite poor. This makes them not suitable for its implementation in the end application. The lack of good quality SMPOF motivated us to explore the use of gradient index multimode polymer optical fiber at the expense of the degradation of the interferometric visibility resulting from the interaction between the multiple modes present in the fiber. Although these fibers showed an excellent acoustic response, the interference was highly unstable. Finally, the recent advances in microstructured polymer optical fibers have provided the best optical fiber currently available for ultrasonic detection due to the combination of high sensitivity and good optical properties for its optoacoustic application. Lastly, this work on fiber optic laser interferometry has led to the development of a new algorithm of passive homodyne demodulation for the phase recovery and all the parameters defining the interferometric state. We present this algorithm based on the spectral analysis of the interferometric signal that allows, among other applications, the characterization of phase modulators employed for the active homodyne stabilization of the interferometric sensor.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Ana Pilar González Marcos.- Secretario: María Carmen Vázquez García.- Vocal: Gijs Van Soes