Kvanteinspireret tilgang sænker dramatisk lysstyrken, der er nødvendig for optisk kohærenstomografi

Forskere har vist, at en detektionsteknologi lånt fra kvanteoptikken kan bruges til at udføre optisk kohærenstomografi (OCT) med meget lavere lysstyrke end tidligere muligt. Dette kunne i høj grad forbedre billeddannelseskvaliteten tilgængelig fra OCT, der bruges til medicinske billedbehandlingsapplikationer.

OCT bruger lys til at give højopløselige 3D-billeder på en ikke-invasiv måde. Selvom det almindeligvis bruges til oftalmologiske applikationer, OCT kan også bruges til at afbilde mange andre dele af kroppen, såsom huden og inde i ørerne, mund, arterier og mave-tarmkanalen.

"Til kliniske anvendelser, at kunne udføre OCT med lav lysstyrke er afgørende, fordi sikkerhedsstandarder begrænser de lysintensitetsniveauer, der kan bruges, " sagde forskerholdsleder Sylwia Kolenderska fra University of Auckland i New Zealand. "I nogle tilfælde, disse effektniveauer er ikke høje nok til at opnå god billedkvalitet."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , forskerne beskriver, hvordan de erstattede standard OCT-detektorer med superledende single-photon-detektorer (SSPD'er), en teknologi, der bruges i kvanteoptik til at skelne individuelle fotoner. Denne opsætning gjorde det muligt for dem at opnå god billedkvalitet med effektniveauer op til 1 million gange lavere end dem, der i øjeblikket bruges i OCT-instrumenter.

"I fremtiden, hvis enkelt-foton detektionsteknologi kunne gøres meget mindre og billigere, en serie af bærbare diagnostiske maskiner baseret på lysbaseret billeddannelse kan skabes til sikre selvdiagnoseformål i komforten af ​​ens hjem, " sagde Kolenderska.

Optagelse af enkelte fotoner

Forskerne kom med det nye detektionsskema, mens de udviklede en OCT-metode baseret på kvantelys, som SSPD'er var centrale for. De indså hurtigt, at SSPD'er også kunne bruges i et standard OLT-arrangement for at øge følsomheden.

"Fordi SSPD'er kan detektere enkelte fotoner, et OLT-instrument, der bruger dem, kræver kun en lille mængde lys sammenlignet med, hvad der i øjeblikket bruges i moderne OCT-maskiner, sagde Kolenderska. det producerer stadig billeder med høje detaljer, der kan sammenlignes med eksisterende OCT-systemer."

Inkorporering af SSPD'er i et standard OCT-system krævede nogle ændringer i den typiske optiske opsætning. Moderne OCT-instrumenter virker ved at skelne farverne, eller bølgelængder, af lys reflekteret fra en genstand. Denne bølgelængdediskrimination kan udføres ved at bruge en enkelt pixeldetektor, mens lyskilden producerer en bølgelængde ad gangen, eller den kan udføres med et diffraktionsgitter, der opdeler lyset i forskellige bølgelængder som et prisme og et kamera, der detekterer disse bølgelængder.

Forskerne brugte en fiber i stedet for et gitter til at adskille forskellige farver, som hver kører med forskellige hastigheder ned ad fiberen. Ved fiberens udgangsende, de brugte SSPD til at fange de forskellige farver, når de ankommer på forskellige tidspunkter. Dette gjorde det muligt at erhverve lysspektret til rekonstruktion af OCT-billeder.

Lavt strømlys giver billeder i høj kvalitet

For at demonstrere det nye detektionsskema, forskerne erhvervede OCT-billeder af en stak af tre typer glas og et stykke løg, som repræsenterede en biologisk prøve. De opnåede billeder af god kvalitet af begge prøver ved lysintensitetsniveauer, der er mindst fem størrelsesordener lavere end dem, der er fastsat af sikkerhedsstandarder.

"Vores resultater viser, at den nye detektionstilgang kunne tillade kvalitets OCT-billeddannelse af forskellige dele af kroppen, især følsomme organer som øjnene, uden at bekymre dig om at gå over sikkerhedsniveauerne med hensyn til lysstyrke, " sagde Kolenderska. "Faktisk, SSPD ville blive beskadiget uden reparation længe før selv 1 % af sikkerhedsniveauet er nået."

Det gjorde forskerne, imidlertid, observere artefakter - elementer, der ikke svarer til strukturen af ​​prøven - i de OCT-billeder, de erhvervede. Disse vises, fordi detektionssystemet detekterer alle former for interaktioner mellem fotoner, ikke kun dem, der er nødvendige for at rekonstruere et faktisk billede. De eksperimenterer for at finde den bedste måde at forhindre disse artefakter på uden at gå på kompromis med billedhastigheden, hvilket ville være vigtigt at vedligeholde til kliniske anvendelser.