Int. Cl.: 74 Agente: Carpintero López, Francisco

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1 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 Número de publicación: Int. Cl.: G01N 21/17 (06.01) A61B /00 (06.01) 12 TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA T3 86 Número de solicitud europea: Fecha de presentación : Número de publicación de la solicitud: Fecha de publicación de la solicitud: Título: Sonda de fibra óptica para el análisis fotoacústico de materiales. Prioridad: GB Titular/es: University College London Gower Street London WC1E 6BT, GB 4 Fecha de publicación de la mención BOPI: Inventor/es: Mills, Timothy, Noel; Beard, Paul y Delphy, David 4 Fecha de la publicación del folleto de la patente: Agente: Carpintero López, Francisco ES T3 Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas). Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. Pº de la Castellana, Madrid

2 1 ES T3 2 DESCRIPCIÓN Sonda de fibra óptica para el análisis fotoacústico de materiales. Esta invención se refiere a sondas de fibra óptica para excitar una muestra con el fin de producir señales para su análisis. Estas señales pueden comprender ondas fotoacústicas y/o fototérmicas. Se han propuesto tales sondas para la caracterización de tejido arterial previamente al tratamiento de vasos sanguíneos estrechados, por ejemplo los causados por un ateroma. Se han propuesto señales de láser pulsado como señales de excitación, que generan una señal acústica a través de los efectos de expansión térmica en el interior de la muestra. Se han propuesto señales de excitación de diferentes longitudes de onda con el fin de generar una firma fotoacústica que transporte los diferentes tipos de información relativos a la muestra. Por ejemplo, se ha encontrado que se pueden analizar las señales fotoacústicas generadas por la excitación de un láser de longitud de onda de alrededor de nm (por ejemplo, 436 y 461 nm) para detectar la presencia de un ateroma, en base a la diferente atenuación de la señal de excitación en el ateroma y en el tejido normal. Alternativamente, se puede emplear una señal de excitación de longitud de onda mayor, por ejemplo nm, para permitir la medida del espesor de la muestra. A esta longitud de onda, la señal de excitación penetra a través de la muestra, y el análisis temporal de las señales generadas en las fronteras entre las capas de tejido permite realizar el cálculo del espesor. El análisis del tejido arterial mediante la utilización de la excitación por un láser pulsado para generar señales acústicas y térmicas se discute en detalle en el artículo Characterizacion of post mortem arterial tissue using time-resolved photoacustic spectroscopy at 436, 461 and 32 nm en Phys. Med. Biol. 42 (1997), páginas Un diseño de una sonda de fibra óptica adecuada para el análisis de muestras tal como el descrito anteriormente se divulga en el artículo Optical fiber potoacustic-phototermal probe, publicado en Optics Letters Vol 23, nº 1 del 1 de agosto de La sonda comprende una fibra óptica multimodal con un sensor de película de polímero Fabry-Perot transparente, montado en su extremo distal, el cual se coloca en contacto con la muestra para su análisis. Se lanzan pulsos ópticos dentro de la fibra y se absorben el blanco, dando como resultado la generación de ondas termoelásticas ultrasónicas para su detección por el sensor. Un problema con el diseño de sondas descrito anteriormente es que la longitud de onda de la señal acústica generada puede ser pequeña en comparación con el diámetro de la región de detección, la cual se define por el diámetro del núcleo de la fibra multimodal. Como resultado, el interferómetro puede no detectar señales con un ángulo de entrada oblicuo, por ejemplo, señales de ondas de borde que aparecen debido efectos de difracción. De acuerdo con la invención, se proporciona una sonda para la excitación de una muestra con el fin de producir una señal acústica y para el análisis de la señal, que comprende: una fuente de excitación adaptada para proporcionar una salida de láser pulsado; una fibra óptica que tiene un núcleo y un revestimiento exterior, la salida de láser pulsado se suministra al núcleo en un primer extremo de la fibra óptica, mientras que el segundo extremo de la fibra óptica está dotado de una película interferométrica, la cual es sustancialmente transparente a los pulsos del láser, una señal producida en la muestra que modula el espesor de la película; y un montaje de fuente y detector de luz, adaptado para proporcionar una señal interferométrica (24) al núcleo en un primer extremo de la fibra, y para detectar la señal reflejada modulada recibida desde el núcleo, en la cual el núcleo comprende un núcleo interno central y un núcleo externo concéntrico, en la que la salida de láser pulsado se suministra al núcleo externo en un primer extremo de la fibra óptica, y en la que el montaje de fuente y detector de luz está adaptado para proporcionar una señal interferométrica al núcleo interno en un primer extremo de la fibra, y para detectar la señal reflejada modulada recibida desde el núcleo interno. La sonda de la invención tiene un núcleo interno pequeño, el cual actúa como la parte detectora de la sonda, mientras que tiene, a la vez, un núcleo externo concéntrico mayor para transportar los pulsos del láser de excitación. La sonda es, por lo tanto, capaz de transportar la señal de la energía requerida para excitar la muestra, mientras que proporciona, asimismo, un área de detección pequeña, definida por el núcleo interno central. Esto incrementa el intervalo de frecuencias de las señales que pueden ser detectadas en ángulos de incidencia distintos del normal. De acuerdo con esto, la sensibilidad del dispositivo se incrementa para cambios en las características temporales de la señal. La señal puede comprender una onda acústica o una onda térmica. Preferiblemente, el núcleo interno es una fibra monomodal, la cual puede tener un diámetro inferior a µm, y preferiblemente alrededor de 6 µm. Esto puede dar como resultado una sonda de análisis que tiene un área activa inferior a µm. Esto permite que la función de análisis de la sonda pueda responder a componentes de onda plana y a componentes de onda de borde de la señal acústica generada. Un posible uso de la sonda se encuentra en el equipo de examen médico para la caracterización de tejidos biológicos, por ejemplo tejido arterial. La invención se describirá a continuación mediante un ejemplo, en referencia al dibujo adjunto, el cual presenta una sonda de la invención utilizada para el análisis de una muestra. La figura presenta una muestra para su análisis mediante la sonda 12 de la invención. La sonda 12 comprende una fibra óptica 14, que tiene una cara terminal 16 cortada y pulida, contra la que se sitúa una película interferométrica 18 de polímero. La película 18 de polímero es transparente, con el fin de que los pulsos de excitación del láser, representados esquemáticamente en la figura por las fechas, puedan introducirse dentro de la muestra a través de la película 18. Estos pulsos pueden comprender pulsos ópticos de nanosegundos, submilijulios, que se absorben en la muestra biológica produciendo, por lo tanto, ondas térmicas con una duración típica en el orden de unos pocos cientos de milisegundos. Dentro de la muestra se produce una expansión térmica rápida, que genera ondas termoelásticas ultrasónicas, con una duración típica de algunos cientos de nanosegundos. Las ondas termoelásticas comprenden una señal acústica 22, la cual modula el espesor de la película

3 3 ES T Por supuesto, se pueden utilizar otras señales de excitación, dependiendo de la naturaleza de la muestra sujeta a análisis. El interferómetro definido por la película 18 se ilumina mediante una luz lanzada dentro de la fibra desde una fuente de láser de baja potencia de ondas continuas. La onda acústica 22 modula el espesor de la película 18 y, por lo tanto, la diferencia de fase óptica entre las reflexiones desde las dos caras de la película. De modo similar, las ondas térmicas modulan el espesor óptico de la película, el cual es detectable, asimismo, como resultado de las diferencias de fase óptica. En cada caso, se produce la correspondiente modulación en intensidad de la luz reflejada desde la película detectora, la cual es detectada a su vez. Las reflexiones tienen lugar en las dos caras de la película 18, como resultado del desacoplamiento entre los índices de refracción a ambos lados de la película. Se pueden aplicar recubrimientos reflexivos dialécticos, selectivos a la longitud de onda, sobre las caras de la película 18, los cuales son transparentes a los pulsos de excitación pero reflejan las longitudes de onda de la señal de ondas continua. En la figura se muestra esquemáticamente una señal luminosa incidente 24, y las dos señales reflejadas 26, 28. Los pulsos de excitación del láser se producen mediante un láser conmutado Q de Nd:YAG de doble frecuencia, que opera a 32 nm, o mediante un láser de colorante sintonizable. El láser forma parte de una fuente de excitación y de un montaje de fuente/detector de luz, el cual proporciona, asimismo, la salida de onda continua para interrogar al interferómetro. Esta salida de onda continua se puede derivar desde una fuente de onda continua sintonizable, tal como un láser de diodo. Los pulsos de excitación pueden tener una longitud de onda que se selecciona dependiendo de las características de la muestra que se desee analizar, y de la naturaleza de la muestra. Por ejemplo, los pulsos pueden tener una longitud de onda tal que penetre en la totalidad del espesor de la muestra. En este caso, las ondas termoelásticas se generarán en las dos superficies de la muestra, y el montaje de detección podrá permitir, entonces, el cálculo del espesor de la muestra. Alternativamente, se podría escoger una longitud de onda de excitación para generar diferentes señales termoelásticas, dependiendo de las características de atenuación de la muestra, lo cual puede permitir al operador distinguir entre tejido biológico normal y anormal, por ejemplo entre tejido arterial normal y anormal. El montaje de detección de la unidad puede comprender un fotodiodo pin de silicio, cuya salida se muestra preferiblemente en un osciloscopio. Hasta aquí, la construcción de la sonda es conocida. De acuerdo con la invención, la fibra óptica 14 comprende un núcleo interno central, un núcleo externo concéntrico 42, y un revestimiento exterior 44. Tales fibras de doble núcleo concéntrico se conocen por su uso en otras aplicaciones, tales como láseres de fibra óptica y amplificadores láser. Por lo tanto, el método de construcción de tales fibras no se describirá. La salida de láser pulsado se suministra al núcleo externo 42 mediante la unidad, mientras que la señal de interrogación 24 se suministra al núcleo interno mediante la unidad. La señal reflejada modulada, suministrada por la película interferométrica 18, se transmite a lo largo del núcleo interno hacia la parte detectora de la unidad. El tamaño de punto de la fuente de onda continua interrogadora se enfoca para acoplarse al diámetro del núcleo de la fibra interna, y el tamaño de punto de los pulsos de excitación corresponde con el diámetro externo de la fibra. Parte de la energía de los pulsos de excitación viajará a lo largo de núcleo central, pero la selección de diferentes longitudes de onda para la señal de excitación y para la señal de interrogación permitirá que detector distinga entre aquellas señales mediante el uso de análisis espectral. Se puede emplear un aparato convencional para lanzar las señales de excitación e interrogación dentro de la fibra, por ejemplo mediante el uso de espejos semiplateados para combinar las señales de ambas fuentes. El núcleo interno define, preferiblemente, una fibra monomodal, mientras que núcleo externo 42 actúa como recubrimiento del núcleo interno. Para este propósito, el núcleo interno tiene un índice de refracción superior al del núcleo externo 42. El núcleo externo 42 es capaz de transportar señales de mayor energía, y el recubrimiento externo 44 tiene un índice de refracción inferior al del núcleo externo 42. El núcleo interno tiene, preferiblemente, un diámetro de entre y µm, mientras que núcleo externo tiene un diámetro de, aproximadamente, µm. La utilización de un núcleo interno físicamente pequeño y preferiblemente monomodal como medio de transporte para las señales interferométricas permite que el dispositivo de detección tenga un área activa pequeña. Esto permite que el dispositivo detecte señales de entrada dentro de un amplio intervalo de longitudes de onda en ángulos de incidencia distintos del normal. Las señales de entrada que entran en el sensor en un ángulo con respecto al eje longitudinal del sensor se integrarán sobre el área activa del sensor y, como resultado, un área activa inferior mejora las características direccionales del sensor. La señal de excitación provoca que la muestra produzca componentes de onda plana y de onda de borde. La componente de onda de borde es una onda de rarefacción generada en el borde externo de la envolvente de la señal de excitación. La componente de onda de borde y la componente de onda plana transportan distinta información relativa a la muestra sujeta a análisis. La sonda de la invención permite la detección de las componentes de onda de borde, que entran en la sonda en un ángulo oblicuo debido a la pequeña área activa, lo que reduce la limitación de banda de la respuesta de la sonda. Las componentes de onda de borde siempre entrarán en la sonda en un ángulo oblicuo, independientemente de la dirección en la que se oriente la sonda, ya que se originan en el borde de la señal de excitación producida por la sonda. Adicionalmente, el espaciado físico entre el exterior del núcleo externo y el núcleo interno permite que la sonda separe las señales de la onda plana y de la onda de borde de la señal combinada recibida por la sonda. Esta separación se puede conseguir mediante análisis temporal. Las señales acústicas 22, producidas en la muestra, pueden tener frecuencias típicamente de hasta MHz, y para las señales acústicas que viajan en agua dulce esto corresponde con una longitud de onda de 47 µm. Preferiblemente, por lo tanto, el área activa del sensor es inferior a µm, con el fin de que el sensor pueda responder a señales acústicas de MHz. 3

4 ES T3 6 1 La anchura de banda de detección excede, entonces, el intervalo de frecuencias de la señal de entrada, el sensor tiene una respuesta omnidireccional. Una fibra monomodal no es capaz de transportar los pulsos de láser conmutado Q requeridos para la excitación de la muestra, y éstos se suministran en el núcleo externo 42. La mayor área del núcleo externo 42 permite la introducción de una onda de excitación en la muestra sobre un área mucho mayor que el área de detección definida por el núcleo interno central. La pequeña área activa del interferómetro facilita, asimismo, la producción de una película 18 de polímero que tiene caras opuestas extremadamente uniformes y paralelas sobre el área de interés del detector. La película detectora puede comprender un disco de PET (tereftalato de polietileno). Tales discos se pueden cortar a partir de una película mayor, y contra más pequeña sea el área requerida mayor será la uniformidad del espesor de la película. El diseño de la fuente de excitación y del montaje de fuente/detector de luz será evidente para aquellos expertos en la técnica, y se han dado anteriormente ejemplos específicos. Así pues, la fuente de luz puede comprender un láser de diodo sintonizable, que puede producir una luz de alrededor de 80 nm, y se puede ajustar para obtener un funcionamiento de interferómetro en cuadratura. El montaje de detección puede comprender un fotodiodo, como se discutió anteriormente, y puede incluir un amplificador de transimpedancia integral. Existen varias aplicaciones posibles en las cuales se puede utilizar la sonda de la invención, adicionalmente al análisis de tejidos biológicos. Tales aplicaciones pueden incluir el análisis de muestras tanto médicas como no médicas

5 7 ES T3 8 REIVINDICACIONES 1. Una sonda (12) para excitar una muestra con el fin de producir una señal acústica y analizar la señal, que comprende: una fuente de excitación (), adaptada para proporcionar una salida () de láser pulsado; una fibra óptica que tiene un núcleo (, 42) y un revestimiento exterior (44), en la cual la salida de láser pulsado se suministra al núcleo (, 42) en un primer extremo de la fibra óptica, y en el segundo extremo de la fibra óptica se dispone una película interferométrica (18), la cual es sustancialmente transparente a los pulsos del láser, una señal producida la muestra que modula el espesor de la película (18); y un montaje () de fuente y detector de luz, el cual está adaptado para proporcionar una señal interferométrica (24) al núcleo en el primer extremo de la fibra, y para detectar la señal reflejada modulada (26, 28) recibida desde el núcleo, caracterizada porque el núcleo comprende un núcleo interno central () y un núcleo externo concéntrico (42), porque la 1 2 salida () de láser pulsado se suministra al núcleo externo (42) en el primer extremo de la fibra óptica, y porque el montaje () de fuente y detector de luz está adaptado para suministrar una señal interferométrica (24) al núcleo interno () en el primer extremo de la fibra, y para detectar la señal reflejada modulada (26, 28) recibida desde el núcleo interno (). 2. Una sonda, de acuerdo con la reivindicación 1, en la cual el núcleo interno () define una fibra monomodal. 3. Una sonda, de acuerdo con la reivindicación 2, en la cual el diámetro del núcleo interno () es inferior a µm. 4. Una sonda, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la cual el diámetro exterior del núcleo externo (42) es de, aproximadamente, µm.. Una sonda, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la cual la película interferométrica (18) se apoya contra el segundo extremo (16) de la fibra. 6. Un equipo de examen médico para caracterizar tejidos biológicos que comprende una sonda (12), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y medios para visualizar la señal reflejada modulada detectada

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