Optisk kohærenstomografi (OCT) – længere bølgelængder kan forbedre billeddybder

Optisk kohærenstomografi (OCT) er en lysbaseret billeddannelsesteknik, der i øjeblikket anvendes i klinisk diagnostik til at undersøge organer in vivo. Teknikken bruger interferometri; hvor lys reflekteret fra et undersøgt objekt kombineres med referencelys, der ikke møder objektet, for at generere interferensmønstre, der danner 2-D og 3-D OCT-billeder. Det er muligt at bruge længere bølgelængder af lys i billedteknikken til dybere penetration i lysspredningsmaterialer. Sådanne funktioner giver muligheder for OLT i ikke-destruktiv testning (NDT) af prøver, og forbedret ikke-invasiv biomedicinsk billeddannelse. I en nylig undersøgelse, Niels M. Israelsen og medarbejdere på Danmarks Tekniske Universitet, sammen med samarbejdspartnere i Østrig og Storbritannien, udviklet en ny metode til at overvinde de tekniske udfordringer ved OCT-billeddannelse.

I undersøgelsen, de opnåede billeder ved hjælp af mid-infrarødt lys for at afsløre mikroskopiske strukturer, der ikke er synlige under det konventionelle kortere bølgelængde nær-infrarøde lys. For det, holdet kombinerede eksperimentelt bredbånds supercontinuum lys og frekvens opkonvertering til realtids billedoptagelse i høj opløsning. Resultaterne er nu offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer , med potentiale for lovende kliniske fremskridt inden for defektdetektion og tykkelsesmålinger in vivo. Potentialet for at forbedre dybdeindtrængning af OLT ved at bruge længere bølgelængder har været kendt siden starten i begyndelsen af ​​1990'erne. Udviklingen af ​​mellem-infrarød OCT var længe udfordret af optiske komponenter i denne spektrale region, resulterer i langsom erhvervelse, lav følsomhed og dårlig aksial opløsning.

Israelsen et al. demonstrerede det første praktiske mellem-infrarøde OCT-system i denne undersøgelse. Forskerne brugte et mellem-infrarødt spektral-domæne OCT-system, der opererede ved en central bølgelængde på 4 mikron (µm) for at give en aksial opløsning på 8,6 µm. Billederne produceret af det mellem-infrarøde system blev sammenlignet med dem, der blev leveret ved hjælp af et avanceret ultra-høj opløsning nær-infrarødt OCT-system, der opererede ved 1,3 µm. Den eksperimentelle opsætning har umiddelbare anvendelser i real-time ikke-destruktiv testning af prøver, der udviser stærk spredning ved kortere bølgelængder.

Som en optisk teknik, OCT er bedst egnet til biofotonik og klinisk biomedicinsk billeddannelse, med bemærkelsesværdige anvendelser inden for oftalmologi. Teknikken tillader realtid, ikke-invasive og berøringsfrie målinger til 3-D prøvevisualisering. Opsætningen har udviklet sig hurtigt med avancerede lyskilder, detektorer og komponenter i det synlige og nær-infrarøde spektrale område til højhastigheds- og højopløsningsbilleddannelse in vivo. OCT-systemet er en industriklar teknologi, der er robust og nem at implementere ved brug af lav optisk effekt. Systemets hovedbegrænsning er den stærke spredning af lys ved synlige og nær-infrarøde bølgelængder, der begrænser indtrængningsdybden i grumsete medier fra nogle få tiere til hundredvis af mikron, afhængig af prøven.

I dette arbejde, Israelsen et al. leverede en eksperimentel opsætning af det mellem-infrarøde OCT-system, med fem modulære dele:

1. En brugerdefineret mid IR supercontinuum (SC) kilde til belysning, baseret på en master-oscillator power amplifier (MOPA) pumpelaser og single-mode zirconium fluorid fiber.
2. Et internt udviklet, bredbåndsfrekvensopkonverteringssystem til detektion.
3. Et Michelson-interferometer med fri plads
4. En scanningsprøve X, Y oversættelsesfasesystem, og
5. Et silicium komplementært metal-oxid-halvleder (CMOS)-baseret spektrometer.

For at lette kobling og justering mellem delsystemerne, forskerne forbundet hvert system med en optisk fiber. De fokuserede derefter strålen genereret på prøven ved hjælp af et bariumfluorid (BaF ₂ ) linse, billederne blev erhvervet ved at flytte prøven på de motoriserede translationstrin. Israelsen et al. opsamlede prøve- og referencesignalerne i en single-mode indiumfluoridfiber for derefter at videresende dem til opkonverteringsmodulet for spektral konvertering til den nære IR. Derefter, de demonstrerede superpositionen af ​​SC-spektrene før (rød) og efter (mørkeblå) opkonvertering, sammen med et eksempel på interferensspektret i lyseblå.

Af design, opkonverteringsmodulet kunne konvertere en bred båndbredde på mere end 1 µm i midt-IR-området (3576-4625 nm) til et smalt bånd i nær-IR (820-865 nm) uden parametrisk tuning. Det genererede nær-IR sum frekvenssignal mistede ikke nogen information kodet i den spektrale tilstand af mid-IR signalet. Da avancerede mid-IR-detektorer led af iboende termisk baggrundsstøj sammenlignet med deres nær-IR-modstykker, bredbånds ikke-lineær frekvens opkonverteringsteknologi muliggjorde hurtigere og støjsvag detektion i undersøgelsen.

Som bevis på princippet for OCT-billeddannelsessystemet udviklet i undersøgelsen, forskerne har med succes replikeret eksperimenter, der tidligere blev udført af Su et al. i industriel keramik. Det tidligere arbejde havde fastslået, at et 4 µm bølgelængde OCT-system var i stand til at afbilde gennem en fræset aluminiumoxidplade for at afsløre dets indre struktur. For at teste dette, Israelsen et al. opnået lignende keramiske prøver fra samme udbyder; hvor den keramiske stak indeholdt tre lag plader (C1-C3; zirconium, 476 µm tykt aluminiumoxid og 300 µm tykt aluminiumoxid). Prøven blev scannet og afbildet fra den øverste zirkoniumplade og nedad, resultaterne var i overensstemmelse med de tidligere resultater. For yderligere at understøtte resultaterne, forskerne udførte en række Monte Carlo-simuleringer ved hjælp af MCX open source-software, for kvalitativt at bekræfte forbedret visualisering af dybdegående grænseflader i 4 µm OCT-billederne.

Forskerne viste derefter reduceret spredning for 4 µm OCT sammenlignet med 1,3 µm OCT-opsætningen ved brug af et aluminiumoxidtapemateriale. Resultaterne indikerede, at billedforvrængning på grund af spredning var mindre udtalt i 4 µm OCT-systemet. Funktionen kan være nyttig til at karakterisere siliciumbaserede enheder, herunder mikroelektromekaniske systemer, solceller og bølgeledere.

Til 3D-billeddannelse af mere komplekse, uensartede strukturer, forskerne afbildede en Europay, MasterCard, Visa-chip (EMV-chip) og en nærfeltskommunikationsantenne indlejret i et standard kreditkort. Kreditkort er almindeligvis lavet af flere laminerede polymerlag blandet med en række farvestoffer og additiver. Ved at bruge 4 µm OCT-opsætningen, forskerne identificerede tre lag af stærkt spredende polymerer, som ikke kunne gennemtrænges af 1,3 µm OCT-systemet på grund af dets høje spredningsegenskaber i nær-IR-området.

I nogle tilfælde, de opdagede endda bagsiden af ​​kortet i en tykkelse på 0,76 mm. Israelsen et al. observerede, at under det første spredningspolymerlag, et indkapslingslag beskyttede den indlejrede siliciummikroprocessor. De observerede også de bundne ledninger og kredsløb, der forbandt mikroprocessoren til den underliggende guldkontaktpude.

Forskningsarbejde af Israelsen et al. indikerede, at 4 µm OCT-systemet var bedre end 1,3 µm OCT-systemet. Da OCT-billeddannelse ved længere bølgelængder øgede vandabsorptionen i prøver, udelukkede dette naturligt biologiske prøver fra opsætningen. Imidlertid, systemet var bemærkelsesværdigt blottet for vibrationsresonanser (dvs. viste lav støj og reduceret spredning) og derfor ideelt til ikke-destruktiv testning (NDT) af faste strukturer.

På denne måde Israelsen et al. demonstrerede hurtigt, realtid, spektral-domæne OCT-billeddannelse i midt-IR-regionen. Den resulterende aksiale opløsning af afbildede prøver var så høj som 8,6 µm, sammen med en lateral opløsning på 15 µm for at opnå mikroskopiske detaljer af strukturer indlejret i stærkt spredende medier. Resultaterne var overlegne i forhold til den mere konventionelle 1,3 µm bølgelængde OCT-opsætning. Forskerne validerede omhyggeligt de nye resultater ved at gentage tidligere rapporter. Det nye arbejde bygger bro over et hul ved at realisere mid-IR OCT-teknologien i realtid til praktiske anvendelser som et industriklar værktøj til ikke-destruktiv test.

© 2019 Science X Network