Sistema de iluminaci
´
on para obtenci
´
on de
im
´
agenes optoac
´
usticas basado en LEDs y
EDU-CIAA
Illumination system for optoacoustic imaging based on LEDs and EDU-CIAA
Emiliano Gasparovic
∗1
, Roberto M. Insabella
∗
, Mart
´
ın G. Gonz
´
alez
∗†
∗
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingenier
´
ıa,
Grupo de L
´
aser,
´
Optica de Materiales y Aplicaciones Electromagn
´
eticas (GLOmAe)
Paseo Col
´
on 850, C1063ACV, Buenos Aires, Argentina
†
Consejo Nacional de Investigaciones Cient
´
ıficas y T
´
ecnicas, (CONICET)
Godoy Cruz 2290, C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
1
egasparovic@fi.uba.ar
Abstract—Optoacoustic imaging is a hybrid technique that
benefits from both the versatile optical contrast and the
high spatial resolution associated with the low propagation
dispersion of ultrasonic waves. Usually, high energy lasers
(> 10 mJ) are used as a light source which are expensive,
non-portable and have a low repetition rate (∼ 20 Hz).
In recent years, the use of light-emitting diodes (LEDs) as
substitute has been studied because of they are less expensive,
more reliable and compact, and they can provide thousands of
pulses in a second for real-time imaging. This paper presents
the implementation of an illumination system based on LEDs
and the embedded system EDU-CIAA. The developed system
is capable of emitting short light pulses (< 1 µs) with great
intensity and high frequency (> 1 kHz).
Keywords: optoacoustic; LED; Embedded System.
Resumen— La obtenci
´
on de im
´
agenes optoac
´
usticas es
una t
´
ecnica h
´
ıbrida que se beneficia tanto del rico y vers
´
atil
contraste
´
optico como de la alta resoluci
´
on espacial asociada
a la baja dispersi
´
on de propagaci
´
on de las ondas ultras
´
onicas.
Usualmente, se utilizan l
´
aseres de elevada energ
´
ıa (> 10
mJ) como fuente de luz los cuales son caros, no port
´
atiles y
tienen una baja tasa de repetici
´
on (∼ 20 Hz). En los
´
ultimos
a
˜
nos se ha estado investigando el uso de diodos emisores
de luz (LEDs) como sustituto ya que son menos costosos,
m
´
as confiables y compactos, y pueden proporcionar miles de
pulsos en un segundo para obtener im
´
agenes en tiempo real.
En esta trabajo se presenta la implementaci
´
on de un sistema
de iluminaci
´
on basado en LEDs y en el sistema embebido
EDU-CIAA que es capaz de emitir pulsos de luz de corta
duraci
´
on (< 1 µs), con gran intensidad y elevada frecuencia
(> 1 kHz).
Palabras clave: optoac
´
ustica; LED; sistema embebido.
I. INTRODUCCI
´
ON
La obtenci
´
on de im
´
agenes optoac
´
usticas (OA) es un
enfoque diferente y muy prometedor que proporciona mapas
de absorci
´
on
´
optica de alta resoluci
´
on mediante la detecci
´
on
de ondas de ultrasonido resultantes de la expansi
´
on t
´
ermica
producida por la irradiaci
´
on de muestras con pulsos cortos
de luz [1]. Ejemplos de campos de aplicaci
´
on son la tomo-
graf
´
ıa y la microscop
´
ıa [2] donde es posible alcanzar reso-
luciones de algunas decenas de micr
´
ometros [3], [4]. Dado
que el m
´
etodo se basa en la detecci
´
on de ondas ac
´
usticas,
cuya longitud de dispersi
´
on en muestras biol
´
ogicas es de
2 a 3
´
ordenes de magnitud menor que las luminosas, las
im
´
agenes OA tienen una alta resoluci
´
on preservando el alto
contraste de absorci
´
on
´
optica [1].
Todo sistema OA se encuentra formado por tres partes
esenciales: i) una fuente de excitaci
´
on lum
´
ınica, ii) un sis-
tema de detecci
´
on para la captura de las se
˜
nales ultras
´
onicas
y iii) un sistema de procesamiento de los datos para la
obtenci
´
on de la imagen. Como iluminaci
´
on se suelen usar
l
´
aseres pulsados de Nd:YAG con generador de segunda
arm
´
onica (532 nm) y con pulsos cortos (∼5 ns) y frecuencias
del orden de 10 Hz.
La duraci
´
on del pulso l
´
aser para la obtenci
´
on de im
´
agenes
OA debe ser menor que los tiempos caracter
´
ısticos de
confinamiento t
´
ermico y el
´
astico [1], lo que implica un l
´
aser
que emita en el espectro visible (VIS) y en el infrarrojo
cercano (NIR) con una duraci
´
on de pulso menor al mi-
crosegundo. Los l
´
aseres de excitaci
´
on tradicionales de alta
energ
´
ıa utilizados en sistemas OA son caros, no port
´
atiles
y tienen una baja tasa de repetici
´
on (10 -100 Hz) [5].
La limitada frecuencia es un problema cuando se desean
im
´
agenes din
´
amicas de los tejidos, como por ejemplo el
latido del coraz
´
on [6]. Los l
´
aseres Nd:YAG de 1064 nm o
532 nm ofrecen una opci
´
on econ
´
omica, pero al emitir en una
longitud de onda fija, se limita su aplicaci
´
on principalmente
a la obtenci
´
on de im
´
agenes anat
´
omicas. Por otro lado, para
tener una mayor profundidad de penetraci
´
on de la luz en
el tejido es necesario contar con una fuente de luz que
emita en la ventana espectral entre 500 nm y 900 nm.
Esto requiere combinar el l
´
aser Nd:YAG con un oscilador
´
optico param
´
etrico (OPO) [7] que encarece dr
´
asticamente el
sistema.
En los
´
ultimos a
˜
nos se ha estado investigando fuentes
de luz basadas en diodos emisores de luz (LEDs) como
sustituto del l
´
aser convencional Nd:YAG/OPO [5], [8]–[10].
Los LEDs ofrecen una reducci
´
on significativa en el costo,
tienen frecuencias de pulso m
´
as altas (>1 kHz), son m
´
as
estables que las fuentes de luz basadas en OPO y permiten
sistemas port
´
atiles y de m
´
ultiples longitudes de onda [5].
Revista elektron, Vol. 4, No. 2, pp. 64-68 (2020)
ISSN 2525-0159
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Recibido: 14/10/20; Aceptado: 28/10/20
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.4.2.107.2020
Original Article
(a)
(b)
(c)
Fig. 1. Im
´
agenes de los LEDs probados en este trabajo. (a) y (b) LEDs
gen
´
ericos de 3 W y 5 W, respectivamente. (c) LED Luminus modelo CBT-
120-G-C11. Todos emiten en una longitud de onda de ∼525 nm.
Adem
´
as, ya se han conseguido con
´
exito demostraciones
del potencial de estas fuentes de luz, como por ejemplo
para identificar la artritis inflamatoria en las articulaciones
de la mano humana [11].
En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema
de excitaci
´
on basado en LEDs apto para ser usado en la
obtenci
´
on de im
´
agenes OA. Se dise
˜
n
´
o e implement
´
o un
sistema electr
´
onico de excitaci
´
on y control de los LEDs
para conseguir pulsos a frecuencias de hasta 10 kHz y de
duraci
´
on menor al microsegundo. Para la etapa de control se
utiliz
´
o el sistema embebido EDU-CIAA [12]. Para verificar
el funcionamiento del dispositivo, se realiz
´
o la medici
´
on de
una se
˜
nal OA proveniente de un fantoma con caracter
´
ısticas
´
opticas y ac
´
usticas similares a las encontradas en muestras
biol
´
ogicas.
II. MATERIALES Y M
´
ETODOS
Para la elecci
´
on de los LEDs se tuvo en cuenta la
m
´
ınima corriente pico para conseguir una amplitud de se
˜
nal
OA que pueda ser medida por los sistemas de detecci
´
on
implementados en trabajos previos [13]–[16]. Esto depende
principalmente de la potencia de luz de los dispositivos co-
merciales para las longitudes de onda de emisi
´
on de inter
´
es
(500 nm - 900 nm). Otro criterio para la elecci
´
on fue que la
inductancia par
´
asita del dispositivo fuera lo suficientemente
baja como para permitir el paso de una elevada corriente
pulsada de corta duraci
´
on (< 1 µs). En todos los casos
se utilizaron LEDs que emitan con una longitud de onda
correspondiente al color verde, ya que generalmente poseen
mayor flujo luminoso a similares valores de corriente en
comparaci
´
on con otras longitudes de onda en el espectro
visible y en el infrarrojo. Se comenz
´
o estudiando LEDs
gen
´
ericos con potencias de 3 W y 5 W que se consiguen
en el mercado local (im
´
agenes (a) y (b) de la Fig. 1).
Dado que los LEDs gen
´
ericos carecen de hojas de datos,
se realizaron ensayos para ver su performance. En el caso
del LED de 3 W, trae incluido un disipador (carcasa negra)
que en las pruebas limitaba la corriente m
´
axima alcanzable
debido a la resistencia e inductancia par
´
asita que introduc
´
ıa
en el circuito. A fin de confirmar esta hip
´
otesis se separ
´
o
Fig. 2. Diagrama del circuito para la obtener pulsos de corriente para la
conmutaci
´
on del LED.
Terminales LED
MOSFET
Banco de capacitores
Alimentación LEDs
+Vcc Driver
Entrada CIAA Canal 1
Entrada CIAA Canal 2
GND
Referencia
Fig. 3. Layout del prototipo del circuito de excitaci
´
on para dos LEDs
Luminus modelo CBT-120-G-C11.
el encapsulado del LED del disipador. Si bien con ello se
increment
´
o el valor de corriente m
´
axima obtenida, no result
´
o
suficiente para la aplicaci
´
on deseada. Esto posiblemente se
deba a que el encapsulado a
´
un incluye largos terminales que
se encuentran conectados por finos hilos conductores. Una
situaci
´
on similar se encontr
´
o en el LED gen
´
erico de 5 W.
Finalmente, descartando los LEDs del mercado local,
se prob
´
o el LED Luminus modelo CBT-120-G-C11 [17],
encontr
´
andose que posee una potencia de emisi
´
on adecuada
y una inductancia par
´
asita despreciable. Este LED posee un
´
area de 12 mm
2
e irradia un flujo luminoso continuo m
´
aximo
de 3640 lm a una longitud de (525 ± 17) nm (imagen (c)
de la Fig. 1). Asimismo, se aprovech
´
o el requerimiento de
la corta duraci
´
on, necesario en sistemas OA (bajo ciclo de
trabajo), para obtener potencias instant
´
aneas mayores a las
especificadas por el fabricante [17].
Para la obtenci
´
on de pulsos de corriente para la con-
mutaci
´
on del LED, se dise
˜
n
´
o e implement
´
o el circuito que se
muestra en la Fig. 2. Dado que estos pulsos implican un gran
suministro de corriente instant
´
anea, se tuvo especial cuidado
en reducir lo m
´
as posible las resistencias y las inductancias
par
´
asitas de la placa. En este sentido, se confeccionaron
pistas de gran ancho, y se usaron componentes de montaje
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LED
Fibra
Sensor
óptica
Driver
EDU-CIAA
TIA
Osciloscopio
muestra
agarosa
agua
Fig. 4. Esquema experimental para medici
´
on de se
˜
nales OA generadas
con el sistema de iluminaci
´
on implementado en este trabajo.
superficial (ver layout presentado en la Fig. 3). Para la
conmutaci
´
on del encendido y apagado del LED se opt
´
o
por el transistor MOSFET IRF8707 (Q
1
) [18] que posee
caracter
´
ısticas deseables para los tipos de pulsos que se
desean generar. Asimismo, para conmutar r
´
apidamente Q
1
,
se us
´
o el driver TC4427 [19].
El sistema de iluminaci
´
on requerido debe poseer una
se
˜
nal de referencia consistente en pulsos de duraci
´
on menor
al microsegundo, con la posibilidad de variar este valor
manteniendo una resoluci
´
on aceptable. Esto fue realizado
aprovechando las capacidades del sistema embebido EDU-
CIAA, que permite generar con facilidad una se
˜
nal del
tipo deseada, con una resoluci
´
on aproximada de 5 ns. A
modo comparativo, esto no ser
´
ıa posible de implementar
con id
´
enticos resultados en un Arduino dado que sus mi-
crocontroladores poseen una menor frecuencia de trabajo.
Otra ventaja del sistema EDU-CIAA, es la disponibilidad
de salidas con modulaci
´
on por ancho de pulsos (PWM),
que sirve para expandir las prestaciones del sistema de
iluminaci
´
on a un arreglo con distintas frecuencias y anchos
de pulso.
El sistema fue probado a trav
´
es de la medici
´
on de se
˜
nales
OA usando el arreglo experimental presentado en la Fig.
4. Para la detecci
´
on de ultrasonido se utiliz
´
o un sensor
piezoel
´
ectrico enfocado (foco = 23 mm) con caracter
´
ısticas
similares al descripto en [20]. El sensor piezoel
´
ectrico y
la muestra son sumergidos en un recipiente que contiene
agua destilada. El fantoma es una esfera de colorante
rojo (∼1.25 mm de di
´
ametro) embebida en un bloque
de agarosa, siguiendo el procedimiento detallado en [21].
De esta manera, la muestra posee propiedades
´
opticas y
ac
´
usticas similares a las encontradas en tejido biol
´
ogico [22].
Para otorgar mayor flexibilidad en la iluminaci
´
on, se us
´
o una
fibra
´
optica de pl
´
astico de 5 mm de di
´
ametro para irradiar
la muestra. La energ
´
ıa del pulso de luz se midi
´
o con un
detector piroel
´
ectrico (Coherent J-10MB-LE) [23] y para la
caracterizaci
´
on del ancho de pulso se utiliz
´
o un fotodiodo
r
´
apido (Newport 818-BB-21) [24]. Una base de traslaci
´
on
XYZ permite ajustar la posici
´
on del sistema de detecci
´
on
compuesto por el sensor piezoel
´
ectrico y un amplificador
de transimpedancia (TIA FEMTO HCA-100MHz-50K-C)
[25]. La se
˜
nal de salida es digitalizada por un osciloscopio
(Tektronix TDS 2024, 2 GS/s, 200 MHz) y procesada en una
computadora. Finalmente, la velocidad del sonido en el agua
se determin
´
o midiendo su temperatura con una termocupla
calibrada. Para todas las mediciones llevadas a cabo en este
0 100 200 300 400 500
Tiempo (ns)
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Corriente (A)
Corriente en R
s
- prototipo
Corriente en R
s
- simulación
Corriente en C
bp
- simulación
Corriente en LED - simulación
Fig. 5. Corrientes medidas y simuladas para un ancho de pulso de
referencia generado por al EDU-CIAA de 94 ns.
0 100 200 300 400 500
Tiempo (ns)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Amplitud normalizada (U.A.)
50 Hz
100 Hz
500 Hz
1000 Hz
4000 Hz
10000 Hz
Fig. 6. Medici
´
on de la intensidad de luz emitida por el LED. La duraci
´
on
del pulso de referencia generado por el sistema EDU-CIAA fue de 44 ns.
trabajo el valor de la temperatura fue de 24
o
C, lo que da
una velocidad del sonido de 1494 m/s [26].
III. RESULTADOS
Para caracterizar el sistema de iluminaci
´
on implementado
se llevaron a cabo un conjunto de mediciones. En primer
lugar, se realizaron simulaciones y mediciones el
´
ectricas
sobre el circuito mostrado en la secci
´
on II. La generaci
´
on
de pulsos
´
opticos cortos con un LED est
´
a limitada por
sus tiempos intr
´
ınsecos de encendido (subida) y apagado
(bajada). Esta limitaci
´
on se debe principalmente al tiempo
de recombinaci
´
on de los portadores y a la constante de
tiempo RC del circuito equivalente del LED [27]. En este
sentido, para reducir el tiempo de subida de la se
˜
nal
´
optica
(encendido del LED), se us
´
o el m
´
etodo de sobreimpulso
al inicio del pulso de corriente. Esta t
´
ecnica se realiza
agregando una capacitancia (C
bp
) en paralelo a la resistencia
limitadora de corriente R
s
(ver Fig. 2). En la Fig. 5 se
presenta la medici
´
on y simulaci
´
on de las corrientes a trav
´
es
de la resistencia limitadora R
s
, de C
bp
y del LED para un
ancho de pulso de referencia generado por la EDU-CIAA
de 94 ns y una frecuencia de 1 kHz. Para la realizaci
´
on
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10
2
10
3
10
4
Frecuencia de pulsos (Hz)
120
130
140
150
160
170
180
190
200
Ancho de pulso de luz (ns)
44 ns
69 ns
94 ns
Ancho pulso referencia
Fig. 7. Variaci
´
on del ancho del pulso de luz vs. la frecuencia.
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Tiempo ( s)
-1
-0.5
0
0.5
1
Amplitud salida sensor (mV)
Ruido
Señal OA
Fig. 8. Se
˜
nal OA captada por el sistema de detecci
´
on para un ancho de
pulso de luz de 200 ns, una frecuencia de 1 kHz y 1 µJ de energ
´
ıa y
promediadas 5000 veces.
de las simulaciones se utiliz
´
o el programa LT spice [28].
Las simulaciones de las corrientes en C
bp
y en el LED son
un ejemplo de como funciona el m
´
etodo del sobreimpulso.
Asimismo, para relevar la corriente media entregada al LED,
se midi
´
o la ca
´
ıda de tensi
´
on en la resistencia R
s
. En la Fig.
5 se puede observar que la curva simulada coincide muy
bien con la medici
´
on. Por otro lado, el ensachamiento del
pulso de corriente respecto del valor de referencia, se debe
principalmente al driver utilizado que tambi
´
en introduce un
retardo de ∼50 ns.
En segundo lugar, se analiz
´
o la duraci
´
on del pulso de luz
en funci
´
on de la frecuencia. En la Fig. 6 se muestran las
mediciones de la intensidad de luz emitida por el LED para
distintos valores de frecuencia donde es posible observar
una variaci
´
on del ancho del pulso
´
optico. Como los pulsos
no son cuadrados, se relev
´
o el ancho a la mitad de su valor
m
´
aximo (FWHM). En la Fig. 7 se presentan los resultados
obtenidos para tres anchos de pulso de referencia generado
por el sistema EDU-CIAA (44 ns, 69 ns y 94 ns). Se puede
apreciar que se produce un ensanchamiento del pulso de
luz respecto del valor de referencia y que su efecto se hace
m
´
as notorio a frecuencias >1 kHz. Como se puede ver en
la Fig. 6, este efecto se debe principalmente al aumento
del tiempo de apagado del LED. Para mejorar el tiempo
de ca
´
ıda
´
optica es com
´
un cortocircuitar el LED durante la
fase de apagado [29]. Sin embargo, cuando se utilizan LEDs
de multi-pozos cu
´
anticos (MQW) de alta intensidad y con
corrientes m
´
aximas superiores a 1 A (como el LED CBT-
120-G-C11), esta estrategia no tiene el resultado deseado
[30]. Otro enfoque es agregar un inductor y una resistencia
entre el c
´
atodo y la fuente de forma de descargar el LED
con una corriente inversa durante la fase de apagado [30]
pero, en este trabajo, fue probada sin
´
exito.
Tambi
´
en se midi
´
o la energ
´
ıa emitida por el conjunto
LED + fibra
´
optica y se observ
´
o la misma dependencia
con la frecuencia, o sea, se tiene un valor aproximadamente
constante hasta 1 kHz (por ejemplo, para 200 ns se midi
´
o 1
µJ ± 0.2 µJ) y para frecuencias mayores, la energ
´
ıa medida
posee una tendencia similar a la mostrada en la Fig. 7.
En
´
ultimo lugar, se prob
´
o el sistema de iluminaci
´
on
implementado en el arreglo experimental presentado en la
Fig. 4 y descripto en la secci
´
on II. En la Fig. 8 se muestra
la se
˜
nal OA medida para un ancho de pulso de luz de 200
ns, una frecuencia de 1 kHz y 1 µJ de energ
´
ıa. En la misma
figura tambi
´
en se ha incluido la respuesta del sistema para
una muestra transparente a la luz y que representa el ruido
de fondo. Se puede apreciar un aumento de la se
˜
nal OA a
los 15.3 µs y cuya duraci
´
on es de 0.9 µs. A partir de estos
datos y el valor de la velocidad del sonido, se puede obtener
la distancia entre la superficie de la muestra y el sensor
(22.8 mm) y el di
´
ametro del fantoma (1.3 mm). Los valores
encontrados concuerdan con el di
´
ametro de la esfera de
colorante y con la distancia focal del sensor piezoel
´
ectrico.
IV. CONCLUSIONES
En este trabajo se implement
´
o un sistema de iluminaci
´
on
basado en LEDs y en el sistema embebido EDU-CIAA.
´
Este puede emitir pulsos con una elevada frecuencia ( >1
kHz), con una duraci
´
on menor al microsegundo y con
intensidades suficientemente elevadas para detectar se
˜
nales
OA. Se destaca que el uso combinado de LEDs y EDU-
CIAA tiene la posibilidad de integrar y ampliar nuevas
funcionalidades, tales como esquemas de codificaci
´
on para
mejorar la relaci
´
on se
˜
nal a ruido [10] y arreglos de LEDs
de distintas longitudes de onda para implementar sistemas
multi-espectrales [31].
A partir de los resultados encontrados en este trabajo
y con el objetivo de obtener mayores energ
´
ıas de emisi
´
on
´
optica, se planea la realizaci
´
on de un nuevo prototipo con
varias mejoras en el layout, en las cuales se destacan el
reemplazo del driver por otro capaz de entregar mayor
corriente m
´
axima, y la modificaci
´
on del montaje del LED.
Finalmente, a modo de comparaci
´
on, sistemas comercia-
les como el Cyberdyne Acoustic X [32] tienen un rango m
´
as
acotado de frecuencias que suele estar entre 1 kHz y 4 kHz.
Por otro lado, si bien el sistema comercial puede entregar
pulsos de menor duraci
´
on (∼ 30 ns), ambos poseen una
resoluci
´
on de 5 ns. Otro punto a destacar es que el sistema
Acoustic X utiliza arreglos de LEDs de distintas longitudes,
caracter
´
ıstica que puede reproducirse en el sistema propuesto
gracias a la disponibilidad de m
´
as canales PWM en el
sistema embebido EDU-CIAA.
Revista elektron, Vol. 4, No. 2, pp. 64-68 (2020)
ISSN 2525-0159
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AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue apoyado por los subsidios de la ANPCyT
(PICT 2016-2204 y PICT 2018-04589) y de la Universidad
de Buenos Aires (UBACyT 20020190100032BA).
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