Forskare har visat att en detektionsteknik lånad från kvantoptik kan användas för att utföra optisk koherenstomografi (OCT) med mycket lägre ljusstyrka än vad som tidigare varit möjligt. Detta kan avsevärt förbättra bildkvaliteten tillgänglig från OCT som används för medicinska bildbehandlingstillämpningar.

OCT använder ljus för att ge högupplösta 3D-bilder på ett icke-invasivt sätt. Även om det ofta används för oftalmologiska tillämpningar, OCT kan också användas för att avbilda många andra delar av kroppen, såsom huden och inuti öronen, mun, artärer och mag-tarmkanalen.

"För kliniska tillämpningar, att kunna utföra OCT med låg ljusstyrka är avgörande eftersom säkerhetsstandarder begränsar de ljusintensitetsnivåer som kan användas, " sa forskargruppsledaren Sylwia Kolenderska från University of Auckland i Nya Zeeland. "I vissa fall, dessa effektnivåer är inte tillräckligt höga för att uppnå bra bildkvalitet."

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver , forskarna beskriver hur de ersatte vanliga OCT-detektorer med supraledande singelfotondetektorer (SSPD), en teknik som används inom kvantoptik för att särskilja enskilda fotoner. Denna inställning gjorde det möjligt för dem att uppnå bra bildkvalitet med effektnivåer upp till 1 miljon gånger lägre än de som för närvarande används i OCT-instrument.

"I framtiden, om tekniken för detektering av en foton kunde göras mycket mindre och billigare, en rad bärbara diagnostiska maskiner baserade på ljusbaserad bildåtergivning kan skapas för säker självdiagnos i bekvämligheten av hemmet, sa Kolenderska.

Fånga enstaka fotoner

Forskarna kom med det nya detektionsschemat samtidigt som de utvecklade en OCT-metod baserad på kvantljus där SSPD var centrala. De insåg snart att SSPD:er också kunde användas i ett standardarrangemang i OLT för att öka känsligheten.

"Eftersom SSPD:er kan detektera enstaka fotoner, ett OLT-instrument som använder dem kräver bara en liten mängd ljus jämfört med vad som för närvarande används i moderna OCT-maskiner, sade Kolenderska. Ändå, det producerar fortfarande högdetaljerade bilder som är jämförbara med befintliga OCT-system."

Att införliva SSPD:er i ett standard OCT-system krävde vissa ändringar av den typiska optiska inställningen. Moderna OCT-instrument fungerar genom att urskilja färgerna, eller våglängder, av ljus som reflekteras från ett föremål. Denna våglängdsdiskriminering kan utföras genom att använda en enda pixeldetektor medan ljuskällan producerar en våglängd i taget eller så kan den göras med ett diffraktionsgitter som delar upp ljuset i olika våglängder som ett prisma och en kamera som detekterar dessa våglängder.

Forskarna använde en fiber istället för ett galler för att separera olika färger, som var och en färdas med olika hastigheter nerför fibern. Vid fiberns utgångsände, de använde SSPD för att fånga de olika färgerna när de anländer vid olika tidpunkter. Detta gjorde att ljusspektrumet kunde förvärvas för att rekonstruera OCT-bilder.

Lågeffektljus ger bilder av hög kvalitet

För att demonstrera det nya detektionsschemat, forskarna skaffade OCT-bilder av en stapel med tre typer av glas och en bit lök, som representerade ett biologiskt prov. De fick bilder av god kvalitet av båda proverna vid ljusintensitetsnivåer som är minst fem storleksordningar lägre än de som fastställts av säkerhetsstandarder.

"Våra resultat visar att den nya detekteringsmetoden kan tillåta högkvalitativ OCT-avbildning av olika delar av kroppen, särskilt känsliga organ som ögonen, utan att oroa dig för att gå över säkerhetsnivåerna när det gäller ljusstyrka, sade Kolenderska. I själva verket, SSPD skulle skadas bortom reparation långt innan ens 1 % av säkerhetsnivån nås."

Forskarna gjorde, dock, observera artefakter – element som inte överensstämmer med strukturen hos provet – i de ULT-bilder de förvärvade. Dessa visas eftersom detektionssystemet detekterar alla typer av interaktioner mellan fotoner, inte bara de som behövs för att rekonstruera en verklig bild. De experimenterar för att hitta det bästa sättet att förhindra dessa artefakter utan att kompromissa med bildhastigheten, vilket skulle vara viktigt att underhålla för kliniska tillämpningar.