Исследователи продемонстрировали свой подход к генерации иглообразных лучей, используя иглообразный луч длиной 300 микрон и диаметром 3 микрона для выполнения ОКТ-визуализации кожи человека. Их изображения показали гораздо более высокое разрешение (внизу), чем ОКТ-изображения с использованием традиционного луча гауссовой формы. Автор: Цзинцзин Чжао, Медицинский факультет Стэнфордского университета.
Исследователи разработали новый метод гибкого создания различных иглообразных лазерных лучей. Эти длинные узкие лучи могут быть использованы для улучшения оптической когерентной томографии (ОКТ), неинвазивного и универсального инструмента визуализации, который используется для научных исследований и различных видов клинических диагнозов.
«Иглообразные лазерные лучи могут эффективно увеличивать глубину фокусировки ОКТ-системы, улучшая боковое разрешение, отношение сигнал/шум, контрастность и качество изображения в большом диапазоне глубин», — сказал руководитель исследовательской группы Адам де ла Зерда из Медицинской школы Стэнфордского университета. «Однако до сих пор внедрение специфического иглообразного луча было затруднено из-за отсутствия общего гибкого метода генерации».
В журнале Optica исследователи описывают свою новую платформу для создания иглообразных лучей различной длины и диаметра. Его можно использовать для создания различных типов лучей, таких как, например, пучок с чрезвычайно большой глубиной резкости или пучок, который меньше предела дифракции света.
Иглообразные лучи, генерируемые с помощью этого метода, могут быть полезны для различных применений ОКТ. Например, использование длинного узкого луча может обеспечить ОКТ-визуализацию сетчатки с высоким разрешением без какой-либо динамической фокусировки, что ускорит процесс и, следовательно, сделает его более комфортным для пациентов. Это также могло бы увеличить глубину фокусировки при ОКТ-эндоскопии, что повысило бы точность диагностики.
«Способность иглообразных лучей быстро получать изображения с высоким разрешением также может избавить от побочных эффектов, возникающих из-за движений человека во время получения изображения», — сказал первый автор статьи Цзинцзин Чжао. «Это может помочь точно определить меланому и другие проблемы с кожей с помощью ОКТ».
Гибкое решение
Как неинвазивный инструмент визуализации, ОКТ имеет осевое разрешение, которое остается постоянным по глубине изображения. Однако его осевое разрешение, которое определяется источником света, имеет очень малую глубину фокусировки. Чтобы решить эту проблему, ОКТ-приборы часто изготавливаются таким образом, чтобы фокус можно было перемещать по глубине для получения четких изображений всей интересующей области. Однако такая динамическая фокусировка может замедлить получение изображения и плохо работает в приложениях, где образец не статичен.
В ОКТ обычно используется объектив, который генерирует одну фокусную точку с одной короткой глубиной фокусировки. Чтобы увеличить глубину фокусировки, исследователи использовали дифракционный оптический элемент, известный как фазовая маска, который использует микроструктуры для создания различных световых паттернов, приводящих к многочисленным фокусным точкам вдоль осевого направления. Они разработали фазовую маску с группами пикселей, которые были распределены случайным образом и специально сформированы, чтобы создать новый фокус, отличный от исходного. Затем вся фазовая маска может быть использована для создания плотно расположенных фокусов в осевом направлении, образуя иглообразный луч с большой глубиной фокусировки.
«Гибкость — главное преимущество этого нового подхода», — сказал Чжао. «Как длину луча, так и его диаметр можно гибко и точно изменять, изменяя расположение фокусов и разность фаз между каждыми двумя соседними фокусами». Такая гибкость возможна благодаря вычислительной модели, разработанной исследователями для точного количественного определения взаимосвязи между свойствами луча и конструктивными параметрами нескольких фокусов. Они также разработали высокопроизводительную процедуру изготовления дифракционных оптических элементов на основе расчетов модели.
-
Исследователи разработали новый метод гибкого создания различных иглообразных лазерных лучей, подобных показанному здесь. Поскольку эти длинные узкие лучи имеют увеличенную глубину фокусировки, их можно использовать для улучшения ОКТ. Автор: Цзинцзин Чжао, Медицинский факультет Стэнфордского университета. -
Чтобы увеличить глубину фокусировки, исследователи создали множество фокусных точек с помощью дифракционного оптического элемента, известного как фазовая маска, которая содержит микроструктуры, используемые для создания различных световых узоров. Автор: Цзинцзин Чжао, Медицинский факультет Стэнфордского университета.
Выбор правильного луча
Чтобы проверить свою модель, исследователи создали формы лучей, подходящие для визуализации нескольких различных типов образцов. Например, для получения изображения отдельных клеток в пределах целого слоя эпидермиса человека они создали иглообразный луч диаметром менее 2 микрон (клеточное разрешение) и длиной не менее 80 микрон (толщина эпидермиса). Они также смогли получить динамические изображения бьющегося сердца с высоким разрешением у живой личинки дрозофилы, которая является важным модельным организмом для изучения сердечных заболеваний. Для этого требовался луч длиной 700 микрон и диаметром 8 микрон, чтобы визуализировать структуру органа в большом диапазоне глубин.
В настоящее время исследователи работают над улучшением подхода, заменив дифракционный оптический элемент и объектив, используемые в настоящее время для создания иглообразного луча, на один плоский металлический объектив, основанный на их модели. Эти металлические линзы можно было бы поместить на череп мыши, например, для наблюдения за динамикой нейронов внутри мозга мыши в режиме реального времени.
Новая работа также может найти применение помимо улучшения качества. «Иглообразные лучи могут быть использованы для улучшения разрешения всех систем микроскопии, включая манипулирование частицами с помощью оптического пинцета, обработку материалов, конфокальную микроскопию, многофотонную микроскопию, фотолитографию и фотоакустическую томографию», — сказал Чжао. «Наша модель также может быть применена к электромагнитным волнам для терагерцовой визуализации и даже к механическим волнам, используемым при ультразвуковой визуализации».
