Lastnost Vrednost ravnosti površine potrebno postopek izdelave podaljšati in otežiti. Velika pomanjkljivost, ki jo imajo PAM fantomi, je, da je za njihovo pripravo treba izvesti polimerizacijo monomera akrilamida, ki je rakotvoren in nevrotoksičen. Posebej pazljivi moramo biti tudi pri uporabi fantomov, saj se PAM difundira nazaj v akrilamid, ko je izpostavljen toploti in ultravijolični svetlobi. Zato moramo biti pri izdelavi, uporabi in shranjevanju fantoma dodatno pazljivi [34].
Agar fantomi se izkazujejo kot najboljši in v veliki meri najbolj uporabljeni fantomi za raziskave mehkega tkiva. V primerjavi s PAM fantomi niso toksični in so veliko lažje in ceneje proizvedeni, čeprav imajo PAM fantomi izredno dobro prozornost. Želatinasti fantomi imajo nekoliko nižjo mehansko trdnost. Če jim jo želimo dvigniti, jim lahko spremenimo katere druge pomembne lastnosti. Zato so iz tega vidika nekoliko manj uporabljeni.
19
3 Metodologija raziskave
V tem poglavju so opisani eksperimentalni sistem in njegovi glavni podsistemi. Prav tako je opisana izbira in izdelava tkivnega fantoma ter potek izvedbe eksperimentov in obdelave meritev.
3.1 Eksperimentalni sistem
Eksperimentalni sistem je sestavljen iz številnih podsistemov, ki so podrobneje opisani v naslednjih podpoglavjih. Celotni sistem, razen laserja, je bil postavljen na optični mizi v laboratoriju Lasteh.
Eksperimntalni sistem je shematsko predstavljen na sliki 3.1. Eksperimente smo začenjali s pošiljanem signalov s PC (ang. personal computer) na kamero in laser. Kamera se je ob prejetju signala aktivirala in čakala na dovedno svetlobo iz nanosekundne bliskavice. Drugi signal se je poslal na bliskovni Nd:YAG laser, ki je iz prejetega signala zgeneriral primeren blisk. Blisk se je po prehodu polarizatorja na delilniku žarka razdelil v razmerju 90/10, kjer je 10 % energije bliska sprožilo Si-fotodiodo (Thorlab, DET10A), preostali del energije pa je bil uporabljen za generiranje OA efekta. Signal s fotodiode je zajel osciloskop (LeCroy 6050), ki je signal posredoval na funkcijski generator (Tektronix AFG3102). S funkcijskim generatorjem smo nastavljali poljubno zakasnitev sprožitve nanosekundne bliskavice, ki je osvetlila merilno območje vzorca. Kamera je v tistem trenutku zajela sliko, ki se je v realnem času prikazala na ekranu računalnika. Signale, pridobljene s prožilne in presevnostne fotodiode, smo z osciloskopa s pomočjo programske opreme prikazovali in shranjevali na računalniku. S funkcijskim generatorjem smo nastavljali poljubno zakasnitev, ki je imela minimalni korak 100 ns. Eksperimentalni sistem je imel še dodatno zakasnitev 2,5 μs, ki jo je bilo potrebno prišteti nastavljeni zakasnitvi.
Metodologija raziskave
20
Slika 3.1: Shematski prikaz eksperimentalnega mesta
Optična pot laserskega bliska, se prične pri koncu laserske roke in ima dolžino 1,5 m, kjer na koncu blisk zadane OA lečo. Optično pot tako sestavljajo polarizator (Thorlabs, CCM1-PBS253-1064-HP/M), ki je imel λ/2 in λ/4 ploščici, pri polarizatorju smo imeli 10 % izgube energije bliska. Za polarizatorjem smo imeli postavljeni dve ogledali (Thorlabs, NB1-K13 - Ø1" Nd:YAG), med katerima je bil postavljen delilnik žarka, ki je preusmeril 10 % energije bliska na sprožilno fotodiodo. 90 % energije bliska se nato dovede do optičnega stolpa, ki je vseboval tri ogledala (Thorlabs, NB1-K13 - Ø1" Nd:YAG), ki so blisk dovedla direktno nad OA lečo, kot je prikazano na sliki 3.2. Preglednica 3.1 prikazuje prag poškodbe za optične elemente za bliske z valovno dolžino1064 nm, 10 ns, 10 Hz in reflektivnost zrcal, ki so bila vsa postavljena pod kotom 45 ◦ glede na vpadli blisk. Na optični poti uporabljamo 5 zrcal, ki imajo skupaj približno 5 % izgube energije laserskega bliska. Če prištejemo še izgube polarizatorja in izgube delilnika imamo na optični poti skoraj 25 % izgube energije laserskega bliska. Tudi pri 25 % izgube energije smo na OA lečo lahko dovedli dovolj visoke energije za generiranje kavitacijskega oblaka.
Metodologija raziskave
21 Preglednica 3.1: lastnosti optičnih elementov [35]
Optični element Prag poškodbe [J/cm2] Reflektivnost [%]
polarizator >10 /
zrcalo 5 >99
Blisk je imel ob izstopu iz laserske roke premer 6,5 mm, pri čemer smo morali zaradi njegove velike divergence (blisk je imel pred zbiralno lečo premer 14 mm) uporabiti zbiralno lečo z goriščno razdaljo 400 mm. Z zbiralno lečo smo rešili dva problema. Izognili smo se poškodbi ohišja na zadnjem ogledalu in s premikanjem pozicije zbiralne leče nadzirali premer bliska na OA leči. Zbiralno lečo smo postavili tako, da je imel blisk na OA leči premer 7 mm. Slika 3.2 prikazuje optično pot, njene komponente in celotno postavitev eksperimentalnega sistema.
Slika 3.2: Optična pot in njene komponente
Ker je bil sistem schliernove hitre fotografije po višini fiksiran, smo morali za zajem kvalitetne slike prilagajati višino steklene kadi, OA leče in vzorcev fantomov. Steklena kad je bila dvignjena toliko, da je bila OA leča približno 10 mm pod gladino vode, pri tem je pod njo ostalo dovolj prostora za vzorce fantomov. Pozicije OA leče in vzorcev fantomov smo nadzirali s pomočjo milimetrskih triosnih ročnih manipulatorjev, ki so nam zagotavljali pomike do 25 mm. S pomočjo 3D-tiskalnika smo izdelali podstavek, s katerim smo enostavno držali vzorec fantoma na željeni poziciji. Slika 3.3 prikazuje postavitev OA leče
Metodologija raziskave
22
in vzorca fantoma v stekleni kadi. Vijak, na katerem je bila privita OA leča je ob dotikanju fantoma povzročal njegovo gubanje, zaradi česar so bile zajete slike slabše kvalitete. Težavo smo reševali tako, da smo odstranili tisti del fantoma, kjer se je nahajal vijak, kot je prikazano na sliki 3.3. Ko smo bili zadovoljni z nastavljeno višino OA leče in vzorca fantoma, smo za vse eksperimente spreminjali samo še ravninsko pozicijo fantoma.
Slika 3.3: Postavitev OA leče in vzorca fantoma
Energijo bliska smo merili z energometrom, ki je bil postavljen za zadnjim ogledalom, kot je prikazano na sliki 3.2. Manipulirali smo jo lahko na dva načina: (i) na način, pri katerem smo spreminjali dovedeno napetost, ki jo je laser moral proizvesti za blisk, in (ii) na način, pri katerem smo spreminjali kot λ/2 ploščice in smo tako nadzirali količino energije bliska, ki je prešla skozi polarizator. Prvi način smo uporabljali predvsem za spremembe energij, kjer so bil koraki med energijami večji od 100 mJ. Drugi način smo uporabljali za fino nastavljanje željenih energij bliskov.
Metodologija raziskave
23
3.1.1 Laser
Glavni podsistem eksperimentalnega mesta je predstavljal laser in 1,5 m dolga optična pot, ki je blisk vodila do OA leče. Uporabljali smo bliskovni Nd:YAG laser proizvajalca Fotona model Starwalker MaQX. Slika 3.4 prikazuje uporabljeni laser, ki smo ga morali za eksperimente rahlo prilagoditi.
Slika 3.4: Laser Fotona StarWalker MaQW [36]
Za delovanje laserja je potrebno zagotoviti električno napajanje, kot je razvidno iz preglednice 3.2. Tako lahko StarWalker MaQW proizvede bliske energije do 10 J energije.
Pri valovni dolžini 1064 nm so bliski dolžine 5 ns s pravokotnim intenzitetnim profilom in zagotavlja, da je laserski profil homogen po celotni površini.
Metodologija raziskave
dolgotrajno dovajanje električnega toka 14/6 A kratkotrajno dovajanje električnega toka 19/17 A
Ker je laser primarno namenjen za medicinsko uporabo, smo ga morali za izvajanje eksperimentov nastaviti na t. i. servisni način. V tem načinu je bilo treba laser postaviti zato, da smo ga lahko nadzorovali s pomočjo PC, poleg tega nam je novi način omogočal spreminjanje parametrov za generiranje bliska. Za spreminjanje parametrov smo laserju pošiljali signal v obliki p 180, 480, 195, 13. Črka p predstavlja način delovanja laserja in bliskovni način. Poleg tega imamo še štiri vrednosti: (i) vrednost pove čas črpanja, (ii) vrednost moč električnega napajalnika, s katero se vzbuja bliskavica in ne sme presegati vrednosti 500, (iii) je čas, ko je zaklop zaprt in (iv) čas, ko je zaklop odprt. Za naše eksperimente smo spreminjali zgolj moč napajanja, saj je bila to najenostavnejša možnost nastavitev energije bliska. Za generiranje zgolj enega bliska je bilo treba zagotoviti, da je bil seštevek tretje in četrte vrednosti višji od prve vrednosti.
3.1.2 Titanova OA leča
Lečo smo izdelali iz 0,1 mm tanke titanove pločevine, ki je bila hladno vlečena v polovično sferično obliko s pomočjo sferične kovinske kroglice premera 8 mm. Čisti titan ima izredno nizko absorptivnost, zaradi česar smo titanove vzorce modificirali po postopku, ki so ga raziskali Zimbone in sodelavci v delih [4], [7], [37]. Slika 3.5 prikazuje lečo iz čiste titanove pločevine, ki je pripravljena na nadaljnjo obdelavo.
Slika 3.5: Vzorec pred lasersko oksidacijo površine
Za lasersko obdelavo smo pripravili tri titanove leče, ki so bile dolge 20 mm in široke 9 mm.
Za izdelavo črnih titanovih leč smo morali vsako lečo posamično obdelati – vsako smo potopili 15 mm globoko v demineralizirano vodo. Titanove vzorce smo nato obstreljevali z zgoraj opisanim laserjem, pri čemer smo morali premestiti optično roko iz horizontalne lege
Metodologija raziskave
25 v vertikalno, saj smo za generiranje črnega titana uporabljali fluence, ki so bile previsoke za optične elemente. Laserski bliski so imeli na titanovih vzorcih fluence 2,2 J/cm2 s premerom 8,6 mm. Slika 3.6 prikazuje postavitev izvedbe obdelave čistih titanovih leč v črne titanove leče.
Slika 3.6: Izvedba laserske oksidacije površine titanovega vzorca
Za doseganje dovolj velike absorptivnosti vzorca je treba zagotoviti dovolj kumulativne fluence, ki za pridobivanje črne titanove površine znaša okoli 100 J/cm2.. Kumulativna fluenca je zmnožek števila bliskov in fluence laserja. Naši vzorci so bili obstreljeni s 150 bliski, pri čemer je kumulativna fluenca presegala 300 J/cm2. Slika 3.7 prikazuje končano lečo.
Slika 3.7: Črna titanova leča
Metodologija raziskave
26
Pripravili smo tri leče, med katerimi smo morali izbrati najustreznejšo. Najustreznejšo lečo smo izbrali na podlagi schliernovih fotografij, kjer smo opazovali količino nastalega kavitacijskega oblaka v vodi. Leča, ki je omogočila generacijo največjega kavitacijskega oblaka, je bila izbrana za opravljanje nadaljnjih eksperimentov v vzorcih fantoma.
3.1.3 Schliernova hitra fotografija
Schliernova hitra fotografija je primerljiva s tehniko senčnih fotografij, kjer se izkorišča spremembo lomnega količnika zaradi spremembe gostote, temperature ali mešanja različnih snovi [38]. Za zajemanje slik smo uporabili optično postavitev, ki je prikazana na sliki 3.8.
Slika 3.8: Shematski prikaz postavitve schliernove hitre fotografije
Za točkovni svetlobni izvor smo uporabili 8-nanosekundno bliskavico, ki smo jo prožili s prožilno fotodiodo, kot je opisano v poglavju 3.1. Žarke smo kolimirali in s tem primerno osvetlili opazovani pojav S. Žarki so se nato s pomočjo schliernove leče fokusirali. V gorišču schliernove leče je postavljena polovična zaslonka KE (angl. knife-edge), ki prestrega približno polovico žarkov. Zaradi spremembe lomnega količnika se je v opazovanem pojavu žarek delil na zgornji in spodnji del, pri čemer se jima je spremenila tudi goriščna razdalja, kot je prikazano na sliki 3.8. Tako smo s pomočjo KE prestregli žarke, ki so se odklonili navzgor. V nasprotju s prestreženimi žarki, so žarki, ki so se odklonili navzdol, potovali nemoteno. Na kameri so se zaradi tega pojavile svetlejše in temnejše točke, ki so ustrezale pozitivnim in negativnim gradientom lomnega količnika. Kavitacijski mehurčki ob nastanku spremenijo lomni količnik in se jih na slikah opazi kot črne kroge, ko se ne prekrivajo, in kot črn gmote, ko se mehurčki začnejo prekrivati. S pomikanjem KE smo nastavljali svetlost tlačne motnje oz. kavitacijskih mehurčkov.
Schlieren sistem smo postavili tako, da je bila schlieren glava 400 mm oddaljena od steklene kadi, v kateri smo imeli vzorce fantomov, razdalja med schlieren lečo in KE je bila 150 mm in razdalja med KE in kamero 50 mm. Uporabljena je bila kamera (PointGrey, monochrome Flea3), ki je imela 1280x1024 slikovnih elementov. Slika 3.9 prikazuje tipično zajeto sliko tlačne motnje pri nizkih energijah laserskega bliska.
Metodologija raziskave
27 Slika 3.9: Tipična tlačna motnja
Slika 3.9 prikazuje fokusiranje tlačne motnje, kjer vidimo, da je bolj svetla od ostalih delov slike. Poleg tlačne motnje sta na sliki dobro vidna tudi rob tkivnega fantoma in titanova leča.
3.1.4 Laserska presevnostna sonda
Laserska presevnostna sonda deluje po principu skokovite spremembe lomnega količnika opazovanega pojava. Meritve z lasersko polprepustno sondo so mogoče, ker kavitacija lokalno spremeni lomni količnik iz vrednosti približno 1,33 (voda) na 1 (vakuum), zaradi česar imamo znižanje vpadle svetlobe na fotodetektorju in posledično padec napetosti [39].
Tako opazujemo čas in amplitudo padca napetosti zaradi izgubljene svetlobe. Izredno pomembno je, da pri opazovanju pojava kavitacije uporabljamo vzorce fantomov, ki imajo čim manjšo difuzivnost, saj s tem zmanjšamo izgube zaradi difuznosti. Slika 3.10 s ptičje perspektive prikazuje, kako je presevnostni žarek prehajal vzorec fantoma.
Metodologija raziskave
28
Slika 3.10: Prikaz poteka žarka v vzorcu fantoma Sistem laserske presevnostne sonde je bil sestavljen iz:
- He-Ne kontinuirnega laserja valovne dolžine 632 nm, - zaslonke,
- optične poti z dvema zrcaloma,
- zbiralne leče z goriščno razdaljo 50 mm, - fotodiode PDA36A proizvajalca Thorlabs,
- ojačevalca proizvajalca Stanford Reserch Systems, model SR560.
Žarek He-Ne laserja je imel pri izstopu premajhen premer, zato smo morali uporabiti razširjevalnik žarka, s katerim smo premer žarka povečali. Za natančen premer smo uporabili zaslonko, s katero smo nastavili premer žarka na 5 mm. Žarku smo s pomočjo zrcal nastavili lego na vzorcu fantoma. Tako smo sondirni žarek postavili tik pod gladino vzorca fantoma, kot je shematsko prikazano na sliki 3.11.
Metodologija raziskave
29 Slika 3.11: Območje sondirnega žarka v vzorcu fantoma
Ker nismo imeli popolnoma prozornega tkivnega fantoma, se je vpadna svetloba veliko bolj sipala, kar je povečalo šum na signalu. Signal smo izboljšali s pomočjo zbiralne leče z goriščno razdaljo 50 mm, ki je bila postavljena 45 mm pred fotodiodo, saj smo z lečo na senzor dovedli večjo količino svetlobe. Za zajem signalov smo uporabili fotodiodo PDA36A proizvajalca Thorlabs. V preglednici 3.3 so prikazane njene lastnosti. Ker smo zajete signale ojačevali z zunanjim ojačevalcem, smo ojačenje fotodiode nastavili na 0 dB in sta pasovna širina in šum v preglednici 3.3 podana brez ojačenja.
Preglednica 3.3: Lastnosti fotodiode [40]
Lastnost Vrednost
območje delovanja 350–1100 nm območje ojačitve 0–70 dB izhodna napetost pri 50 Ω 0–5 V
pasovna širina 10 MHz
šum 300 μV
Zajeti signal s fotodiode smo nato s pomočjo ojačevalca SR560 ojačali in filtrirali.
Preglednica 3.4 prikazuje lastnosti ojačevalca. Ko smo zajemali signale, smo ojačevalec nastavili na baterijsko napajanje, saj smo tako še dodatno zmanjšali šum.
Metodologija raziskave
30
Preglednica 3.4: lastnosti ojačevalca [41]
Lastnost Vrednost
pasovna širina 1 MHz
območje ojačitve 1–50000 filter signala dva nastavljiva filtra vhodni signal enojni ali razlika signalov napajanje s kablom ali z baterijo
Dobljene signale smo nato še dodatno obdelali v programu MatLab, kjer smo s pomočjo funkcije smooth še dodatno zgladili zajete signale. Slika 3.12 predstavlja tipičen zajeti signal pri visokih energijah.
Slika 3.12: Tipičen zajeti signal
Velika sprememba napetosti ob pričetku se zgodi zaradi laserskega bliska, ki ga fotodioda zazna. Takoj zatem se pojavi prvi padec napetosti, ki ga povzroči tlačna motnja ob preletu sondirnega območja. Ko tlačna motnja prečka območje, začnemo zaznavati formulacijo in rast kavitacijskih mehurčkov.
Metodologija raziskave
31
3.1.5 Programska oprema za zajem meritev
Z uporabo programske opreme, ki so jo sodelavci LASTEH predhodno razvili v programu LabView, smo lahko nazdorovali, prikazovali, zajemali in shranjevali vse pomembne podatke eksperimntov. S programom smo vzpostavili komunikacijo s celotnim sistemom in njegovimi podsistemi. Programska oprema je omogočala izvajanje eksperimentov na dva načina: (i) na način, pri katerem smo videli zajete podatke v realnem času, vendar je bilo potrebno vsak blisk sprožiti ročno, in (ii) na način, pri katerem nismo mogli spremljati zajetih podatkov v ralnem času, vandar smo lahko nastavili parametre za avtomatizirano proženje laserskih bliskov. Sliki 3.13 in 3.14 prikazujeta omenjena načina, na slikah se vidi, da je vsak način razdeljen še na podrazdelke. Slika 3.13 ima tako šest podrazdelkov:
- Prvi podrazdelek, kjer smo s pritiskom na gumb »Shoot the laser« sprožili laser in dobili prikaz števila bliskov, ki smo jih v določeni seriji že opravili.
- Drugi podrazdelek, kjer smo shranjvali zajete slike in signale.
- Tretji podrazdelek, kjer smo nastavljali čas zakasnitve sprožitve kamere in moč laserskih bliskov.
- Četrti podrazdelek, kjer so se nam v realnem času prikazovale zajete slike.
- Peti podrazdelek, kjer smo nastavljali datoteko, kamor se morajo zajete slike in signali shraniti, ter ime shranjene datoteke.
- Šesti podrazdelek, kjer smo nastavljali, kateri zajeti signali naj se prikažejo, in polje za prikaz zajetih signalov.
Slika 3.13: Zavihek za ročno proženje bliskov
Metodologija raziskave
32
Slika 3.14 ima prav tako šest podrazdelkov, ki se rahlo razlikujejo od podrazdelkov s slike 3.13. Ti so:
- Prvi podrazdelek, kjer smo nastavljali pričetek, konec in korak časovne zakasnitve kamere. Pri tem smo nastavljali še število slik, ki naj jih kamera izvede pri določeni zakasnitvi.
- Drugi podrazdelek, kjer smo izbirali, katere podatke naj programska oprema shrani.
- Tretji podrazdelek, kjer smo izbrali datoteko z energijami laserskih bliskov in prikaz, katera energija je bila poslana laserju.
- Četrti podrazdelek, kjer smo nastavljali predpripravljnost kamere in laserja ter signale, ki naj jih programska oprema zajema.
- Peti podrazdelek, kjer smo nastavljali datoteko, kamor se morajo zajete slike in signali shraniti, ter ime shranjenene datoteke.
- Šesti podrazdelek, kjer smo pričeli oz. prekinili avtomatizirano serijo bliskov in prikazan potek eksperimenta.
Slika 3.14: Zavihek za avtomatizirano proženje bliskov
Pri pridobivanju rezultatov smo uporabljali oba načina. Prvega smo uporabljali predvsem za nastavitve časovnih zakasnitev in vizualno potrditev, da so le te dobro določene. Drugi način smo uporabljali predvsem za olajšano izvajanje eksperimentov.
Metodologija raziskave
33
3.2 Priprava vzorcev tkivnih fantomov
Za pripravo vzorcev fantomov smo izbrali agar, saj dobro posnema lastnosti tkiva, hkrati pa je priprava vzorcev izredno enostavna. Agar je poleg tega enostavno in poceni dobavljiv ter je v literaturi praktično največkrat uporabljen material za pripravo tkivnih fantomov pri raziskavah optoakustičnih pojavov. Za naše potrebe je agar tudi dovolj prozoren za uporabo schliernove hitre fotografije. Agarjevi fantomi se po lastnostih dovolj približajo lastnostim kože na področju gostote, hitrosti zvoka in koeficientom dušenja. Zanje smo se odločili tudi zaradi njihove visoke temperature tališča, ki znaša okoli 78 ◦C. Med eksperimenti smo namreč OA lečo namestil tik nad površino fantoma, ki se zaradi dovedenih laserskih bliskov močno segreje in to toploto oddaja v okolico. Zaradi tega smo potrebovali fantome, ki se ob izpostavitvi visokih temperatur ne utekočinijo.
Vzorce smo pripravili po prilagojeni recepturi Maxwell in sodelavcev [42], pri čemer smo povečali procent dodanega agarja, odvzeli rdeče krvničke, fiziološko raztopino zamenjali z demineralizirano vodo in na koncu vzorca nismo postavili v delni vakuum. Rdeče krvničke in fiziološko raztopino so umaknili, ker smo dobljene rezultate želeli primerjati z rezultati, pridobljenimi v vodi. Kot sta ugotovila že Holland in Apfel, fiziološka raztopina znižuje prag pojava kavitacije [43]. Po drugi strani uporaba vakuuma zvišuje prag kavitacije, saj iz agarja odstrani ujete pline. Iz tega razloga smo ga tudi umaknili iz priprave fantoma. Delež dodanega agarja smo povečali, da se je še dodatno povečala hitrost zvoka. Tako smo fantome pripravljali v razmerju 2 % mase na enoto volumna. Ker v literaturi nikjer ni omenjeno, ali se mora zmes mešati ročno, mehansko ali magnetno, smo zmes mešali ročno. Uporabili smo kulinarični agar Agartina proizvajalca Kotanyi in demineralizirano vodo blagovne znamke Šampionka.
Priprava fantoma je potekala v sledečih korakih:
- Natehtali smo 2 g agarjevega prahu.
- V čašo smo odmerili 100 ml demineralizirane vode.
- Agar smo dodali v čašo in zmes dodobra zmešali, da v njej ni bilo večjih grudic agarja.
- Čašo smo nato v 30-sekundnih intervalih segrevali v mikrovalovni pečici.
- Med intervali smo zmes dodobra premešali, da na dnu ni bilo agarjevih delcev.
- Postopek smo ponavljali, dokler zmes ni postala povsem prosojna.
- Agar smo nato iz čaše prelili v tri enake kalupe, ki smo jih napolnili skoraj
- Agar smo nato iz čaše prelili v tri enake kalupe, ki smo jih napolnili skoraj