Onderzoekers hebben aangetoond dat een detectietechnologie die is geleend van de kwantumoptica, kan worden gebruikt om optische coherentietomografie (OCT) uit te voeren met een veel lager lichtvermogen dan voorheen mogelijk was. Dit zou de beeldkwaliteit die beschikbaar is vanaf OCT voor medische beeldvormingstoepassingen aanzienlijk kunnen verbeteren.

OCT gebruikt licht om op een niet-invasieve manier 3D-beelden met een hoge resolutie te leveren. Hoewel het vaak wordt gebruikt voor oogheelkundige toepassingen, OCT kan ook worden gebruikt om veel andere delen van het lichaam in beeld te brengen, zoals de huid en in de oren, mond, slagaders en maag-darmkanaal.

"Voor klinische toepassingen, het kunnen uitvoeren van OCT met weinig licht is van cruciaal belang omdat veiligheidsnormen de lichtintensiteitsniveaus die kunnen worden gebruikt, beperken, ", zei onderzoeksteamleider Sylwia Kolenderska van de Universiteit van Auckland in Nieuw-Zeeland. "In sommige gevallen deze vermogensniveaus zijn niet hoog genoeg om een ​​goede beeldkwaliteit te bereiken."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , de onderzoekers beschrijven hoe ze standaard OCT-detectoren hebben vervangen door supergeleidende single-photon detectors (SSPD's), een technologie die wordt gebruikt in de kwantumoptica om individuele fotonen te onderscheiden. Dankzij deze opstelling konden ze een goede beeldkwaliteit bereiken met vermogensniveaus die tot 1 miljoen keer lager zijn dan die welke momenteel worden gebruikt in OCT-instrumenten.

"In de toekomst, als single-photon detectietechnologie veel kleiner en goedkoper zou kunnen worden gemaakt, een lijn van draagbare diagnostische machines op basis van op licht gebaseerde beeldvorming kan worden gemaakt voor veilige zelfdiagnosedoeleinden in het comfort van iemands huis, zei Kolenderska.

Losse fotonen vastleggen

De onderzoekers bedachten het nieuwe detectieschema terwijl ze een OCT-methode ontwikkelden op basis van kwantumlicht waarbij SSPD's centraal stonden. Ze realiseerden zich al snel dat SSPD's ook konden worden gebruikt in een standaard OCT-arrangement om de gevoeligheid te vergroten.

"Omdat SSPD's afzonderlijke fotonen kunnen detecteren, een OCT-instrument dat ze gebruikt, vereist slechts een kleine hoeveelheid licht in vergelijking met wat momenteel wordt gebruikt in moderne OCT-machines, " zei Kolenderska. "Toch, het produceert nog steeds high-detailbeelden die vergelijkbaar zijn met bestaande OCT-systemen."

Het opnemen van SSPD's in een standaard OCT-systeem vereiste enkele wijzigingen in de typische optische opstelling. Moderne OCT-instrumenten werken door de kleuren te onderscheiden, of golflengten, van licht dat door een voorwerp wordt weerkaatst. Deze golflengtediscriminatie kan worden uitgevoerd door een enkele pixeldetector te gebruiken terwijl de lichtbron één golflengte tegelijk produceert of het kan worden gedaan met een diffractierooster dat het licht in verschillende golflengten splitst, zoals een prisma en een camera die deze golflengten detecteert.

De onderzoekers gebruikten een vezel in plaats van een rooster om verschillende kleuren te scheiden, die elk met verschillende snelheden door de vezel reizen. Aan het uiteinde van de vezel, ze gebruikten de SSPD om de verschillende kleuren vast te leggen wanneer ze op verschillende tijdstippen arriveren. Hierdoor kon het lichtspectrum worden verkregen voor het reconstrueren van OCT-beelden.

Licht met laag vermogen levert beelden van hoge kwaliteit op

Om het nieuwe detectieschema te demonstreren, de onderzoekers verkregen OCT-beelden van een stapel van drie soorten glas en een stuk ui, die een biologisch monster vertegenwoordigde. Ze verkregen beelden van goede kwaliteit van beide monsters bij lichtintensiteitsniveaus die ten minste vijf ordes van grootte lager waren dan de veiligheidsnormen.

"Onze resultaten laten zien dat de nieuwe detectiebenadering hoogwaardige LGO-beeldvorming van verschillende delen van het lichaam mogelijk maakt, bijzonder gevoelige organen zoals de ogen, zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over het overschrijden van de veiligheidsniveaus in termen van lichtvermogen, " zei Kolenderska. "In feite, de SSPD zou onherstelbaar beschadigd zijn lang voordat zelfs maar 1% van het veiligheidsniveau is bereikt."

De onderzoekers deden, echter, observeer artefacten - elementen die niet overeenkomen met de structuur van het monster - in de OCT-afbeeldingen die ze hebben verkregen. Deze ontstaan ​​doordat het detectiesysteem allerlei interacties tussen fotonen detecteert, niet alleen degene die nodig zijn om een ​​echt beeld te reconstrueren. Ze experimenteren om de beste manier te vinden om deze artefacten te voorkomen zonder afbreuk te doen aan de beeldsnelheid, die belangrijk zou zijn om te handhaven voor klinische toepassingen.