Optische coherentietomografie (OCT) is een op licht gebaseerde beeldvormingstechniek die momenteel wordt gebruikt in de klinische diagnostiek om organen in vivo te onderzoeken. De techniek maakt gebruik van interferometrie; waarin licht dat door een onderzocht object wordt gereflecteerd, wordt gecombineerd met referentielicht dat het object niet ontmoet om interferentiepatronen te genereren die 2D- en 3D OCT-beelden vormen. Het is mogelijk om langere golflengten van licht te gebruiken in de beeldvormingstechniek voor diepere penetratie in lichtverstrooiende materialen. Dergelijke functies bieden mogelijkheden voor OCT bij niet-destructief onderzoek (NDT) van monsters, en verbeterde niet-invasieve biomedische beeldvorming. In een recente studie, Niels M. Israelsen en medewerkers van de Technische Universiteit van Denemarken, samen met medewerkers in Oostenrijk en het VK, een nieuwe methode ontwikkeld om de technische uitdagingen van OCT-beeldvorming te overwinnen.

In de studie, ze verkregen beelden met behulp van midden-infrarood licht om microscopische structuren te onthullen die niet zichtbaar zijn onder het conventionele nabij-infraroodlicht met kortere golflengte. Voor deze, het team combineerde experimenteel breedband supercontinuum licht en frequentie-upconversie voor real-time beeldacquisitie met hoge resolutie. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , met potentieel voor veelbelovende klinische vooruitgang in defectdetectie en diktemetingen in vivo. Het potentieel om de dieptepenetratie van LGO te verbeteren door langere golflengten te gebruiken, is bekend sinds het begin in de vroege jaren negentig. De ontwikkeling van midden-infrarood LGO werd lange tijd uitgedaagd door optische componenten in dit spectrale gebied, wat resulteert in een trage acquisitie, lage gevoeligheid en slechte axiale resolutie.

Israëlsen et al. demonstreerde het eerste praktische mid-infrarood OCT-systeem in de huidige studie. De onderzoekers gebruikten een midden-infrarood spectraal-domein OCT-systeem dat werkt op een centrale golflengte van 4 micron (µm) om een ​​axiale resolutie van 8,6 µm te verkrijgen. De beelden geproduceerd door het midden-infraroodsysteem werden vergeleken met de beelden die werden geleverd met behulp van een ultramodern nabij-infrarood OCT-systeem met ultrahoge resolutie dat werkt op 1,3 µm. De experimentele opstelling heeft onmiddellijke toepassingen in realtime niet-destructief testen van monsters die sterke verstrooiing vertonen bij kortere golflengten.

Als optische techniek OCT is het meest geschikt voor biofotonica en klinische biomedische beeldvorming, met opmerkelijke toepassingen in de oogheelkunde. De techniek maakt realtime, niet-invasieve en contactloze metingen voor 3D-monstervisualisatie. De opstelling is snel gevorderd met geavanceerde lichtbronnen, detectoren en componenten in het zichtbare en nabij-infrarode spectrale gebied voor in vivo beeldvorming met hoge snelheid en hoge resolutie. Het OCT-systeem is een industrieklare technologie die robuust en eenvoudig te implementeren is met een laag optisch vermogen. De belangrijkste beperking van het systeem is de sterke verstrooiing van licht op zichtbare en nabij-infrarode golflengten die de penetratiediepte in troebele media beperken van enkele tientallen tot honderden microns, afhankelijk van het monster.

In dit werk, Israëlsen et al. leverde een experimentele opstelling van het midden-infrarood OCT-systeem, met vijf modulaire onderdelen:

1. Een custom-mid IR supercontinuum (SC) bron voor verlichting, gebaseerd op een master-oscillator power amplifier (MOPA) pomplaser en single-mode zirkoniumfluoridevezel.
2. Een in eigen huis ontwikkelde, breedband frequentie-upconversiesysteem voor detectie.
3. Een Michelson-interferometer in de vrije ruimte
4. Een scanvoorbeeld X, Y-translatiestadiumsysteem, en
5. Een op silicium gebaseerde spectrometer op basis van complementaire metaaloxide-halfgeleiders (CMOS).

Om koppeling en uitlijning tussen de subsystemen te vergemakkelijken, de wetenschappers verbonden elk systeem met een optische vezel. Vervolgens focusten ze de gegenereerde straal op het monster met behulp van een bariumfluoride (BaF ₂ ) lens, de afbeeldingen werden verkregen door het monster op de gemotoriseerde translatiestadia te verplaatsen. Israëlsen et al. verzamelde de monster- en referentiesignalen in een single-mode indiumfluoridevezel om ze vervolgens door te sturen naar de upconversiemodule voor spectrale conversie naar de nabije IR. Daarna, ze demonstreerden de superpositie van de SC-spectra voor (rood) en na (donkerblauw) opconversie, naast een voorbeeld van het spectrum van interferentie in lichtblauw.

Met opzet, de upconversion-module zou een brede bandbreedte van meer dan 1 µm in het midden-IR-gebied (3576-4625 nm) kunnen omzetten naar een smalle band in het nabij-IR (820-865 nm) zonder parametrische afstemming. Het gegenereerde bijna-IR-somfrequentiesignaal verloor geen informatie die was gecodeerd in de spectrale modus van het midden-IR-signaal. Aangezien ultramoderne mid-IR-detectoren last hadden van intrinsieke thermische achtergrondruis in vergelijking met hun bijna-IR-tegenhangers, breedband niet-lineaire frequentie-upconversietechnologie zorgde voor snellere en ruisarme detectie in het onderzoek.

Als proof-of-principle van het OCT-beeldvormingssysteem dat in de studie is ontwikkeld, de wetenschappers repliceerden met succes experimenten die eerder werden uitgevoerd door Su et al. in industriële keramiek. Het vorige werk had vastgesteld dat een OCT-systeem met een golflengte van 4 m in staat was om beelden door een gefreesde aluminiumplaat te maken om de interne structuur ervan te onthullen. Om dit te testen, Israëlsen et al. vergelijkbare keramische monsters van dezelfde leverancier verkregen; waar de keramische stapel drie lagen platen bevatte (C1-C3; zirkonium, 476 µm dik aluminiumoxide en 300 µm dik aluminiumoxide). Het monster werd gescand en afgebeeld vanaf de bovenste zirkoniumplaat naar beneden, de resultaten waren consistent met de eerdere bevindingen. Om de bevindingen verder te ondersteunen, de wetenschappers voerden een reeks Monte Carlo-simulaties uit met behulp van MCX open source-software, om de verbeterde visualisatie van diepgaande interfaces in de 4 µm OCT-beelden kwalitatief te bevestigen.

De wetenschappers toonden vervolgens verminderde verstrooiing voor 4 m OCT vergeleken met de 1,3 µm OCT-opstelling met behulp van een aluminiumoxidetape-materiaal. De resultaten gaven aan dat beeldvervorming als gevolg van dispersie minder uitgesproken was in het 4 µm OCT-systeem. De functie kan nuttig zijn om op silicium gebaseerde apparaten te karakteriseren, inclusief micro-elektromechanische systemen, zonnecellen en golfgeleiders.

Voor 3D-beeldvorming van complexere, niet-uniforme structuren, de wetenschappers beeldden een Europay af, MasterCard, Visa-chip (EMV-chip) en een near-field communicatieantenne ingebed in een standaard creditcard. Creditcards worden gewoonlijk gemaakt van verschillende gelamineerde polymeerlagen gemengd met een verscheidenheid aan kleurstoffen en additieven. Met behulp van de 4 µm OCT-opstelling, de wetenschappers identificeerden drie lagen van sterk verstrooiende polymeren, die niet kon worden gepenetreerd door het 1,3 µm OCT-systeem vanwege de hoge verstrooiingseigenschappen in het nabije-IR-gebied.

In sommige gevallen, ze ontdekten zelfs de achterkant van de kaart met een dikte van 0,76 mm. Israëlsen et al. waargenomen dat onder de eerste verstrooiende polymeerlaag, een inkapselingslaag beschermde de ingebedde siliciummicroprocessor. Ze observeerden ook de verbonden draden en schakelingen die de microprocessor met het onderliggende gouden contactvlak verbond.

Onderzoekswerk van Israelsen et al. gaf aan dat het 4 µm OCT-systeem superieur was aan het 1,3 µm OCT-systeem. Omdat OCT-beeldvorming bij langere golflengten de waterabsorptie in monsters verhoogde, werden biologische monsters natuurlijk uitgesloten van de opstelling. Echter, het systeem was opmerkelijk verstoken van trillingsresonanties (d.w.z. vertoonde weinig ruis en verminderde verstrooiing) en daarom ideaal voor niet-destructief testen (NDT) van vaste structuren.

Op deze manier, Israëlsen et al. snel gedemonstreerd, echte tijd, spectrale domein OCT-beeldvorming in het midden van de IR-regio. De resulterende axiale resolutie van afgebeelde monsters was zo hoog als 8,6 µm, samen met een laterale resolutie van 15 µm om microscopische details te verkrijgen van structuren die zijn ingebed in sterk verstrooiende media. De resultaten waren superieur in vergelijking met de meer conventionele OCT-opstelling met een golflengte van 1,3 µm. De wetenschappers valideerden de nieuwe resultaten nauwgezet door eerdere rapporten met succes te repliceren. Het nieuwe werk overbrugt een kloof door de mid-IR OCT-technologie in realtime te realiseren voor praktische toepassingen als een kant-en-klaar hulpmiddel voor de industrie voor niet-destructief testen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk