Fleksibel metode til at forme laserstråler udvider dybden af ​​fokus for OCT-billeddannelse

Forskere har udviklet en ny metode til fleksibelt at skabe forskellige nåleformede laserstråler. Disse lange, smalle stråler kan bruges til at forbedre optisk kohærenstomografi (OCT), et ikke-invasivt og alsidigt billeddannelsesværktøj, der bruges til videnskabelig forskning og forskellige typer af kliniske diagnoser.

"Nåleformede laserstråler kan effektivt udvide fokusdybden af ​​et OCT-system og forbedre den laterale opløsning, signal-til-støj-forhold, kontrast og billedkvalitet over et langt dybdeområde," sagde leder af forskningsteamet Adam de la. Zerda fra Stanford University School of Medicine. "Men før nu har det været vanskeligt at implementere en specifik nåleformet stråle på grund af manglen på en fælles, fleksibel genereringsmetode."

I Optica , beskriver forskerne deres nye platform til at skabe nåleformede bjælker med forskellige længder og diametre. Den kan bruges til at skabe forskellige typer stråler, såsom en med ekstremt lang dybdeskarphed eller en, der er mindre end lysets diffraktionsgrænse.

De nåleformede stråler genereret med denne metode kan gavne en række OCT-applikationer. For eksempel kunne brug af en lang, smal stråle tillade højopløsnings OCT-billeddannelse af nethinden uden nogen dynamisk fokusering, hvilket gør processen hurtigere og dermed mere behagelig for patienterne. Det kunne også udvide dybden af ​​fokus for OCT endoskopi, hvilket ville forbedre diagnosticeringens nøjagtighed.

"Den hurtige højopløselige billeddannelsesevne hos nåleformede stråler kan også slippe af med uønskede virkninger, der opstår på grund af menneskelige bevægelser under billedoptagelse," sagde avisens første forfatter Jingjing Zhao. "Dette kan hjælpe med at lokalisere melanom og andre hudproblemer ved hjælp af OCT."

En fleksibel løsning

Som et ikke-invasivt billeddannelsesværktøj har OCT en aksial opløsning, der er konstant langs billeddybden. Dens aksiale opløsning, som bestemmes af lyskilden, har dog en meget lille fokusdybde. For at løse dette problem fremstilles OLT-instrumenter ofte, så fokus kan flyttes langs dybden for at fange klare billeder af en hel region af interesse. Denne dynamiske fokusering kan dog gøre billeddannelsen langsommere og fungerer ikke godt til applikationer, hvor prøven ikke er statisk.

OCT bruger typisk et objektiv, der genererer ét fokuspunkt med en enkelt, kort fokusdybde. For at øge dybden af ​​fokus brugte forskerne et diffraktivt optisk element kendt som en fasemaske, der bruger mikrostrukturer til at skabe forskellige lysmønstre, hvilket resulterer i adskillige fokuspunkter langs den aksiale retning. De designede fasemasken med grupper af pixels, der var tilfældigt fordelt og specielt mønstret for at skabe et nyt fokus anderledes end det originale. Hele fasemasken kan derefter bruges til at generere tæt anbragte foci i aksial retning, der danner en nåleformet stråle med en lang fokusdybde.

"Fleksibilitet er den primære fordel ved denne nye tilgang," sagde Zhao. "Både strålelængden og dens diameter kan ændres fleksibelt og nøjagtigt ved at ændre placeringen af ​​brændpunkterne og faseforskellen mellem hver to tilstødende brændpunkter." Denne fleksibilitet er mulig takket være en beregningsmodel, som forskerne udviklede for at afsløre forholdet mellem stråleegenskaberne og designparametrene for de multiple foci på en præcis, kvantitativ måde. De udviklede også en højtydende fremstillingsprocedure til at lave diffraktive optiske elementer baseret på modellens beregninger.

Valg af den højre stråle

For at teste deres model skabte forskerne stråleformer, der var egnede til at afbilde flere forskellige typer prøver. For at afbilde individuelle celler i et helt lag af menneskelig epidermis for eksempel skabte de en nåleformet stråle med en diameter mindre end 2 mikron (cellulær opløsning) og en længde på mindst 80 mikron (epidermis tykkelse). De var også i stand til at fange højopløselige dynamiske billeder af et bankende hjerte i en levende drosophila-larve, som er en vigtig modelorganisme til at studere hjertesygdomme. Dette krævede en stråle, der var 700 mikron lang og 8 mikron i diameter for at visualisere organstruktur over et langt dybdeområde.

Forskerne arbejder nu på at forbedre tilgangen ved at erstatte det diffraktive optiske element og objektiv, der i øjeblikket bruges til at lave en nåleformet stråle med en enkelt flad metalen baseret på deres model. Denne metalens kunne placeres på kraniet af en mus for at observere neurondynamikken inde i musehjernen i realtid, for eksempel.

Det nye arbejde kunne også finde anvendelser ud over at forbedre OLT. "Nåleformede stråler kan bruges til at forbedre opløsningen af ​​alle mikroskopisystemer, herunder partikelmanipulation med optisk pincet, materialebehandling, konfokalmikroskopi, multifotonmikroskopi, fotolitografi og fotoakustisk tomografi," sagde Zhao. "Vores model kan også anvendes på elektromagnetiske bølger til terahertz-billeddannelse og endda de mekaniske bølger, der bruges til ultralydsbilleddannelse." + Udforsk yderligere

Forskere bruger kvanteinspireret tilgang til at øge LiDAR-opløsningen