Optisk koherens tomografi (OCT) är en ljusbaserad bildteknik som för närvarande används inom klinisk diagnostik för att undersöka organ in vivo. Tekniken använder interferometri; där ljus som reflekteras från ett undersökt objekt kombineras med referensljus som inte stöter på objektet för att generera interferensmönster som bildar 2-D och 3-D OCT-bilder. Det är möjligt att använda längre våglängder av ljus i bildtekniken för djupare penetration i ljusspridande material. Sådana funktioner erbjuder möjligheter för OCT vid icke-destruktiv testning (NDT) av prover, och förbättrad icke-invasiv biomedicinsk avbildning. I en färsk studie, Niels M. Israelsen och medarbetare vid Danmarks tekniska universitet, tillsammans med medarbetare i Österrike och Storbritannien, utvecklat en ny metod för att övervinna de tekniska utmaningarna för OCT -avbildning.

I studien, de fick bilder med mitten av infrarött ljus för att avslöja mikroskopiska strukturer som inte syns under det konventionella korta våglängden nära infrarött ljus. För detta, teamet kombinerade experimentellt bredbandsupplösning med superkontinuum och frekvensuppkonvertering för realtidsbildförvärv med hög upplösning. Resultaten publiceras nu i Ljus:Vetenskap och applikationer , med potential för lovande kliniska framsteg inom defektdetektering och tjockleksmätningar in vivo. Potentialen för att förbättra djuppenetrering av ULT genom att använda längre våglängder har varit känd sedan starten i början av 1990 -talet. Utvecklingen av mitten-infrarött OCT utmanades länge av optiska komponenter i detta spektralområde, resulterar i långsamt förvärv, låg känslighet och dålig axiell upplösning.

Israelsen et al. visade det första praktiska mitten-infraröda OCT-systemet i denna studie. Forskarna använde ett mellan-infrarött spektral-domän OCT-system som arbetar vid en central våglängd på 4 mikron (µm) för att ge en axiell upplösning på 8,6 µm. Bilderna som produceras av det mellersta infraröda systemet jämfördes med de som levererades med ett toppmodern ultrahög upplösning nära infrarött OCT-system som arbetar med 1,3 µm. Den experimentella installationen har omedelbara tillämpningar i realtid, icke-destruktiv testning av prover som uppvisar stark spridning vid kortare våglängder.

Som en optisk teknik, OCT är bäst lämpad för biofotonik och klinisk biomedicinsk avbildning, med anmärkningsvärda tillämpningar inom oftalmologi. Tekniken tillåter realtid, icke-invasiva och beröringsfria mätningar för 3D-provvisualisering. Installationen har snabbt avancerat med avancerade ljuskällor, detektorer och komponenter i det synliga och nära infraröda spektralområdet för höghastighets- och högupplöst avbildning in vivo. OCT-systemet är en branschklar teknik som är robust och enkel att implementera med låg optisk effekt. Systemets huvudbegränsning är den starka spridningen av ljus vid synliga och nära infraröda våglängder som begränsar penetrationsdjupet i grumliga medier från några tiotals till hundratals mikron, beroende på provet.

I det här arbetet, Israelsen et al. tillhandahållit en experimentell installation av det mellersta infraröda OCT-systemet, med fem moduldelar:

1. En anpassad-mitten IR superkontinuum (SC) -källa för belysning, baserad på en master-oscillator effektförstärkare (MOPA) pumplaser och singelmodus zirkoniumfluoridfiber.
2. Ett internt utvecklat, bredbandsfrekvens uppkonverteringssystem för detektering.
3. En ledig Michelson-interferometer
4. Ett skanningsprov X, Y -system för översättningsscener, och
5. En kiselkomplementär metalloxid-halvledare (CMOS) -baserad spektrometer.

För att underlätta koppling och anpassning mellan delsystemen, forskarna kopplade varje system med en optisk fiber. De fokuserade sedan strålen som genererades på provet med en bariumfluorid (BaF ₂ ) objektiv, bilderna erhölls genom att flytta provet på de motoriserade översättningsstegen. Israelsen et al. samlade prov- och referenssignalerna i en enkelmodig indiumfluoridfiber för att sedan vidarebefordra dem till uppkonverteringsmodulen för spektral omvandling till nära IR. Därefter, de demonstrerade överlagringen av SC -spektra före (röd) och efter (mörkblå) uppkonvertering, tillsammans med ett exempel på interferensspektrumet i ljusblått.

Genom design, uppkonverteringsmodulen kan konvertera en bred bandbredd på mer än 1 µm i mitten av IR-området (3576-4625 nm) till ett smalt band i nära IR (820-865 nm) utan parametrisk inställning. Den genererade nära-IR-sumfrekvenssignalen förlorade inte någon information som kodades i spektralläget för mitten av IR-signalen. Eftersom toppmoderna mitten-IR-detektorer drabbades av inneboende termiskt bakgrundsbrus jämfört med sina nära-IR-motsvarigheter, bredbands olinjär frekvens uppkonverteringsteknik möjliggjorde snabbare och lågbrusig upptäckt i studien.

Som bevis på principen för OCT-bildsystemet som utvecklats i studien, forskarna replikerade framgångsrikt experiment som tidigare utfördes av Su et al. inom industriell keramik. Det tidigare arbetet hade fastställt att ett 4 µm våglängd OCT -system kunde avbilda genom en fräst aluminiumoxidplatta för att avslöja dess inre struktur. För att testa detta, Israelsen et al. erhöll liknande keramiska prover från samma leverantör; där den keramiska stacken innehöll tre lager plattor (C1-C3; zirkonium, 476 µm tjock aluminiumoxid och 300 µm tjock aluminiumoxid). Provet skannades och avbildades från den övre zirkoniumplattan nedåt, resultaten överensstämde med de tidigare fynden. För att ytterligare stödja resultaten, forskarna utförde en serie Monte Carlo -simuleringar med MCX -programvara med öppen källkod, att kvalitativt bekräfta förbättrad visualisering av djupgående gränssnitt i 4 µm OCT-bilderna.

Forskarna visade sedan minskad spridning för 4 µm OCT jämfört med 1,3 µm OCT -installationen med hjälp av ett aluminiumoxidtejpmaterial. Resultaten indikerade att bildförvrängning på grund av dispersion var mindre uttalad i 4 µm OCT -systemet. Funktionen kan vara användbar för att karakterisera kiselbaserade enheter, inklusive mikroelektromekaniska system, solceller och vågledare.

För 3D-avbildning av mer komplex, icke-enhetliga strukturer, forskarna avbildade en Europay, MasterCard, Visa-chip (EMV-chip) och en närfältskommunikationsantenn inbäddad i ett vanligt kreditkort. Kreditkort är vanligtvis gjorda av flera laminerade polymerlager blandade med en mängd olika färgämnen och tillsatser. Med hjälp av 4 µm OCT -inställningen, forskarna identifierade tre lager av högspridande polymerer, som inte kunde penetreras av 1,3 µm OCT-systemet på grund av dess höga spridningsegenskaper i området nära IR.

I vissa fall, de upptäckte till och med kortets baksida med en tjocklek av 0,76 mm. Israelsen et al. observerade att under det första spridande polymerskiktet, ett inkapslingsskikt skyddade den inbäddade kiselmikroprocessorn. De observerade också de bundna trådarna och kretsarna som kopplade mikroprocessorn till den underliggande guldkontaktplattan.

Forskningsarbete av Israelsen et al. indikerade att 4 µm OCT -systemet var överlägset 1,3 µm OCT -systemet. Eftersom OCT -avbildning vid längre våglängder ökade vattenabsorptionen i prover uteslutde detta naturligtvis biologiska prover från installationen. Dock, systemet var anmärkningsvärt saknat vibrationsresonanser (dvs visade lågt brus och minskad spridning) och därför idealiskt för icke-destruktiv testning (NDT) av fasta strukturer.

På det här sättet, Israelsen et al. visade sig snabbt, realtid, spektral-domän OCT-avbildning i mitten av IR-regionen. Den resulterande axiella upplösningen för avbildade prover var så hög som 8,6 µm, tillsammans med en lateral upplösning på 15 µm för att erhålla mikroskopiska detaljer om strukturer inbäddade i högspridande media. Resultaten var överlägsna i jämförelse med den mer konventionella 1,3 µm våglängd OCT -inställningen. Forskarna validerade de nya resultaten noggrant genom att framgångsrikt replikera tidigare rapporter. Det nya arbetet överbryggar en klyfta genom att förverkliga mid-IR OCT-tekniken i realtid för praktiska tillämpningar som ett industriklart verktyg för icke-destruktiv testning.

© 2019 Science X Network