Fiber optic based force sensor design for prostate biopsy procedure under MRI

Abstract

Düşük hata oranı ve yüksek hassasiyete sahip Fabry-Pérot İnterferometri (FPI)fiber optik sensörler MRG altında prostat biyopsisi için iğne girişini optimize etmekiçin güvenilir geri bildirim sağlayabilir. Bununla birlikte FPI tabanlı kuvvet algılamasının,dokunun mekanik özellikleri ile ilgili veriler sağlayarak prostat kanserinin(PCa) doğrudan teşhisinde kullanılma potansiyeli vardır. Bu tezde, 18-ölçü bir prostatbiyopsi iğnesi ucunda kuvvet ölçümü için FPI bazlı bir fiber optik sensörünün tasarımıve üretimi sunulmaktadır. Sensör, 200 μm iç çapa sahip bir borosilikat cam tüp içineyerleştirilmiş ve sabitlenmiş 125 μm çapındaki iki kesik optik fiberin arasında oluşturulanbir hava boşluğu ile kurulmuştur. Optik fiberlerin cam tüpün içine sabitlenmesi,cam tüp üzerinde CO2 lazer işlemiyle oluşturulan iki mikro-delikten tıbbi dereceli UVyapıştırıcıların uygulanmasıyla sağlanmıştır. Fiber optiklerin uçları arasındaki uzaklık,piezoelektrik aktüatörler tarafından kontrol edilen manipülatörler ve 10 nm'lik birçözünürlük ile gerinim ölçer okuyucuları kullanılarak ayarlanmıştır. Sensörün çalışmasıiçin ışık kaynağı olarak 635 nm dalga boyuna sahip bir lazer diyot kullanılmaktadır.Lazer diyotunun şiddeti, akım geri besleme mekanizmaları ve sıcaklık kontrolörleriile sabit tutulmuştur. Model öngörülü kontrol yaklaşımları, ışık kaynağının sıcaklıkkontrolü için uyarlanıp ve uygulanmıştır. Sistemin operasyonel kontrolü için bir devrekurularak ve sinyal işleme yapılmaktadır. Sensör, bir ticari basınç sensörü ve birkuvvet test makinesi ile kalibre ve optimize edilmiştir. Sensörün dinamik aralığı, sinyalbelirsizliğini önlemek için lineer çalışma bölgesine ayarlanmıştır ve gerçekleştirilen iğneyerleştirme deneylerinden elde edilen sonuçlara göre 0.1 N'lik bir çözünürlükle 0-13N'luk bir kuvvet ölçüm aralığı sağlayabilmektedir.

Fabry-Pérot Interferometry (FPI) fiber optic sensors with low error ratio andhigh sensitivity can provide reliable feedback to optimize needle insertion for MRIguidedprostate biopsy. FPI based force sensing has also potential for diagnosis ofprostate cancer (PCa) directly by providing data regarding mechanical characteristicsof the tissue.In this thesis, design and fabrication of a fiber optic sensor based on FPI forforce measurement at the tip of an prostate biopsy needle (18-gauge) is presented. Thesensor is built upon an air cavity between two cleaved optical fibers with a diameter of125 μm which are embedded and fixed into a borosilicate glass capillary with an innerdiameter of 200 μm. Fixation of optical fibers within the glass capillary are achievedby applying medical grade UV adhesives through two micro-holes formed with CO2laser processing on the glass capillary. The initial distance between the fiber endings isadjusted by using manipulators controlled by piezoelectric actuators and strain gaugereaders with a resolution of 10 nm. A laser diode which has a wavelength of 635 nm isused as a light source for the operation of the sensor. The intensity from the laser diodeis kept constant during operation with current feedback mechanisms and temperaturecontrollers. Model predictive control approaches are adapted and implemented for thetemperature control of the light source. A circuitry for the operational control of thesystem and signal processing is implemented. The sensor is calibrated and optimizedwith a commercial pressure sensor and a force testing machine. Dynamic range of thesensor is set to the linear operation region to avoid signal ambiguity while being ableto provide a force measurement range of 0-13 N with a resolution of 0.1 N based onneedle insertion experiments conducted.