Interferometría de baja coherencia resuelta en ángulo - Angle-resolved low-coherence interferometry
La interferometría de baja coherencia resuelta en ángulo ( a / LCI ) es una tecnología emergente de imágenes biomédicas que utiliza las propiedades de la luz dispersa para medir el tamaño medio de las estructuras celulares, incluidos los núcleos celulares . La tecnología se muestra prometedora como herramienta clínica para la detección in situ de tejido displásico o precanceroso .
Introducción
A / LCI combina interferometría de baja coherencia con dispersión resuelta en ángulo para resolver el problema inverso de determinar la geometría del dispersor en función de patrones de difracción de campo lejano . De manera similar a la reflectometría de dominio de coherencia óptica (OCDR) y la tomografía de coherencia óptica (OCT), a / LCI utiliza una fuente de luz de banda ancha en un esquema de interferometría para lograr un corte óptico con una resolución de profundidad establecida por la longitud de coherencia de la fuente. Las mediciones de dispersión resueltas en ángulo capturan la luz en función del ángulo de dispersión e invierten los ángulos para deducir el tamaño medio de los objetos de dispersión mediante un modelo de dispersión de luz computacional como la teoría de Mie , que predice ángulos según el tamaño de la esfera de dispersión. . La combinación de estas técnicas permite la construcción de un sistema que puede medir el tamaño de dispersión promedio a varias profundidades dentro de una muestra de tejido .
En la actualidad, la aplicación médica más importante de la tecnología es determinar el estado de salud de los tejidos basándose en mediciones del tamaño medio de los núcleos celulares. Se ha descubierto que a medida que el tejido cambia de normal a canceroso, aumenta el tamaño medio de los núcleos de las células. Varios estudios recientes han demostrado que a través de mediciones de núcleos celulares, a / LCI puede detectar la presencia de displasia de bajo y alto grado con una sensibilidad del 91% y distinguir entre normal y displásica con una especificidad del 97%.
Historia
Desde 2000, los sistemas de dispersión de luz se han utilizado para aplicaciones biomédicas, como el estudio de la morfología celular y el diagnóstico de displasia . Se han utilizado variaciones en las distribuciones de dispersión en función del ángulo o la longitud de onda para deducir información sobre el tamaño de las células y los objetos subcelulares como núcleos y orgánulos . Estas medidas de tamaño se pueden usar luego como diagnóstico para detectar cambios en los tejidos, incluidos los cambios neoplásicos (los que conducen al cáncer).
La espectroscopia de dispersión de luz se ha utilizado para detectar displasia en el colon , la vejiga , el cuello uterino y el esófago de pacientes humanos. La dispersión de luz también se ha utilizado para detectar el esófago de Barrett , una afección metaplásica con una alta probabilidad de provocar displasia.
Sin embargo, a diferencia de a / LCI, todas estas técnicas se basan en mediciones basadas en la intensidad total, que carecen de la capacidad de proporcionar resultados en función de la profundidad en el tejido.
Modelos tempranos de a / LCI
La primera implementación de a / LCI utilizó un interferómetro de Michelson , el mismo modelo utilizado en el famoso experimento de Michelson-Morley . El interferómetro de Michelson divide un haz de luz en dos rutas, una ruta de referencia y una ruta de muestreo, y las vuelve a combinar para producir una forma de onda resultante de la interferencia . La diferencia entre el haz de referencia y el haz de muestreo revela así las propiedades de la muestra en la forma en que dispersa la luz.
El primer dispositivo a / LCI usaba un espejo móvil y una lente en el brazo de referencia para que los investigadores pudieran replicar diferentes ángulos y profundidades en el haz de referencia a medida que ocurrían en la luz retrodispersada recolectada. Esto permitió el aislamiento de la luz retrodispersada a diferentes profundidades de reflexión en la muestra. Para transformar los datos en medidas de la estructura celular, las distribuciones de dispersión angular se comparan con las predicciones de la teoría de Mie, que calcula el tamaño de las esferas en relación con sus patrones de dispersión de luz.
La técnica a / LCI se validó por primera vez en estudios de microesferas de poliestireno, cuyos tamaños eran conocidos y relativamente homogéneos. Un estudio posterior amplió el método de procesamiento de señales para compensar la naturaleza no esférica y no homogénea de los núcleos celulares.
Este primer sistema requería hasta 40 minutos para adquirir los datos de un punto de 1 mm² en una muestra, pero demostró la viabilidad de la idea.
Implementación de dominio de Fourier
Al igual que OCT, las primeras implementaciones de un / LCI se basaron en cambiar físicamente la longitud de la ruta óptica (OPL) para controlar la profundidad en la muestra de la que se adquieren los datos. Sin embargo, se ha demostrado que es posible utilizar una implementación de dominio de Fourier para obtener una resolución de profundidad en una sola adquisición de datos. Se utiliza una fuente de luz de banda ancha para producir un espectro de longitudes de onda a la vez, y la luz retrodispersada es recogida por una fibra óptica coherente en la ruta de retorno para capturar diferentes ángulos de dispersión simultáneamente. Luego, la intensidad se mide mediante un espectrómetro : un solo cuadro del espectrómetro contiene la intensidad de dispersión en función de la longitud de onda y el ángulo. Finalmente, los datos se transforman de Fourier línea por línea para generar la intensidad de dispersión en función del OPL y el ángulo. En la imagen resultante, el eje x representa el OPL y el eje y el ángulo de reflexión, produciendo así un mapa 2D de intensidades de reflexión.
Con este método, la velocidad de adquisición está limitada únicamente por el tiempo de integración del espectrómetro y puede ser tan breve como 20 ms. Los mismos datos que inicialmente requirieron decenas de minutos para adquirir se pueden adquirir ~ 10 5 veces más rápido.
Descripción esquemática
La versión de dominio de Fourier del sistema a / LCI utiliza un diodo superluminiscente (SLD) con una salida de fibra acoplada como fuente de luz. Un divisor de fibra separa la ruta de la señal al 90% de intensidad y la ruta de referencia al 10%.
La luz del SLD pasa a través de un aislador óptico y posteriormente un controlador de polarización . Se ha demostrado que el control de la polarización de la luz es importante para maximizar la señal óptica y comparar la dispersión angular con el modelo de dispersión de Mie. Se utiliza una fibra que mantiene la polarización para llevar la luz de iluminación a la muestra. Un segundo controlador de polarización se usa de manera similar para controlar la polarización de la luz que pasa a través de la ruta de referencia.
La salida de la fibra de la derecha se colima utilizando la lente L1 e ilumina el tejido. Pero debido a que la fibra de suministro está desplazada del eje óptico de la lente, el haz se envía a la muestra en un ángulo oblicuo. La luz retrodispersada luego es colimada por la misma lente y recogida por el haz de fibras. Las fibras están a una distancia focal de la lente y la muestra es una distancia focal en el otro lado. Esta configuración captura la luz desde el rango máximo de ángulos y minimiza el ruido de la luz debido a los reflejos especulares.
En el extremo distal del haz de fibras, la luz de cada fibra se proyecta en el espectrómetro. La luz de la muestra y los brazos de referencia se mezclan mediante un cubo divisor de haz (BS) e inciden en la rendija de entrada de un espectrómetro de imágenes. Los datos del espectrómetro de imágenes se transfieren a una computadora a través de la interfaz de bus serie universal para el procesamiento de señales y la visualización de resultados. La computadora también proporciona control del espectrómetro de imágenes.
Prototipo de dispositivo clínico
El sistema a / LCI se ha mejorado recientemente para permitir el funcionamiento en un entorno clínico con la adición de una varilla de mano. Al controlar cuidadosamente la polarización en la fibra de suministro, utilizando fibras que mantienen la polarización y polarizadores en línea, el nuevo sistema permite la manipulación de la varilla de mano sin degradación de la señal debido a los efectos de birrefringencia. Además, el nuevo sistema empleó una lente esférica con recubrimiento antirreflejos en la punta de la sonda, que reduce los reflejos que de otro modo limitarían el rango de profundidad del sistema.
El sistema portátil utiliza una placa óptica de 2 pies por 2 pies como base, con la fuente, los componentes de fibra óptica, la lente, el divisor de haz y el espectrómetro de imágenes montados en la placa. Una cubierta de aluminio protege la óptica. Una sonda de fibra con una sonda de mano permite un fácil acceso a las muestras de tejido para su análisis. En el lado izquierdo se encuentra una plataforma de muestra blanca, donde se coloca el tejido para su análisis. El operador utiliza la sonda de mano para seleccionar sitios específicos en el tejido a partir de los cuales se adquieren las lecturas de a / LCI.
Ver también
- Espectroscopia aplicada
- Longitud de coherencia
- Transformada de Fourier
- Interferometria optica
- La tomografía de coherencia óptica
- Centro Internacional de Logística Antártica