CC BY
156
КРОСС-ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ ДЛЯ ЭНДОСКОПИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, Ромашов В.Н., Ксенофонтов С.Ю.
Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород, E-mail: [email protected]
Представлены две системы для волоконно-оптической кросс-поляризационной оптической когерентной томографии, для эндоскопических исследований биологических объектов in vivo. Для обеих систем проведено сравнение чувствительностей при приеме рассеянного биологической средой света в исходной и ортогональной поляризациях.
Введение. Оптическая когерентная томография (ОКТ) является новым неинвазивным методом исследования внутренней микроструктуры биоткани, основанным на интерферометрическом детектировании обратно рассеянного низкокогерентного света ближнего ИК-диапазона с пространственным разрешением в 1-15 мкм [1, 2]. Исследование структуры слизистых и серозных тканей внутренних органов человека методом ОКТ стало возможным после создания гибких эндоскопических миниатюрных зондов с поперечным электромеханическим сканированием [3]. В некоторых случаях ОКТ-изображения доброкачественных и злокачественных изменений биоткани выглядят одинаково бесструктурно, что снижает специфичность метода. Информативность и специфичность ОКТ исследований in vivo можно повысить за счет сравнения изображений поперечной картины рассеяния в биологической ткани в исходной и строго ортогональной поляризациях [4-7]. Такой метод получил название кросс-поляризационной оптической когерентной томографии (КП ОКТ) [4]. Метод КП ОКТ имеет наибольшее значение при исследовании слизистых и серозных тканей внутренних органов, поэтому развитие эндоскопических приложений метода актуально. Помимо реализации оптической схемы для экспериментальных исследований, большое значение имеют разработки практической схемы со сменными, взаимозаменяемыми зондами.
Следует также отметить, что в свете, рассеянном назад от биологической ткани, кроме нерегулярных могут наблюдаться и регулярные и изменения состояния поляризации, обусловленные наличием двулучепреломления [8]. На этом принципе основан поляризационно-чувствительный метод (ПЧ ОКТ), который позволяет получать изображения величины двулучепреломления в упорядоченной биологической ткани [9-11].
В настоящем докладе излагаются результаты разработки эффективных схем для КП ОКТ (и ПЧ ОКТ) с последовательным приемом, основанных на поляризационно удерживающем (ПУ) и изотропном волокнах.
Материалы и методы. Нами разработаны две реализации эндоскопического КП ОКТ метода с длинами рабочих волн (А=0,95 и 1,3 мкм) в "терапевтическом окне прозрачности". Оптическая схема на волне А=0,95 мкм (ДА, = 60 мкм) с элементом продольного разрешения ДЬ~7 мкм, которая выполнена на поляризационно-удерживающем (ПУ) волокне, представляет собой интерферометр Майкельсона (Рис.1). Использование ПУ волокна устраняет поляризационные "фединги" интерференционного сигнала, вызванные изгибами волокна сигнального плеча. ИК-излучение от источника проходит оптическую развязку и участок схемы на изотропном волокне. При помощи первого поляризационного управителя Лефевра, линейная компонента излучения СЛД ориентируется по оси максимального пропускания поляризатора. Далее, с помощью второго поляризационного управителя Лефевра линейно поляризованное излучение ориентируется на входе в интерферометр по одной из собственных анизотропных осей ПУ волокна и в виде линейно-поляризованных волн разветвляется в сигнальное и опорные плечи. Благодаря противофазной модуляции оптического
пути в плечах интерферометра при помощи пьезоволоконных модуляторов интерферирующие волны имеют доплеровский сдвиг частоты, что позволяет осуществить гетеродинный прием света, рассеянного в образце. Существенное различие скоростей нормальных поляризационных волн ПУ волокна, обеспечивает их относительно слабую оптическую связь, что позволяет реализовать два канала приема рассеянного света - с исходной, линейной и ортогональной поляризациями. Для этого в дальнем конце опорного плеча помещена фазовая пластинка А,/4. развернутая под углом 22,5° к оси одной из собственных волн. При двойном прохождении пластинки светом формируются две, распространяющиеся назад опорные, ортогонально поляризованные волны с одинаковыми интенсивностями. В результате в данной оптической схеме осуществляется одинаковая чувствительность гетеродинного приема света в обоих поляризационных каналах.
Оптическая Поляризац. Устройство поперечного
развязка управители Пьез°волок°нные сканирования
фильтр усилитель детектор АЦП
Рис. 1. Экспериментальная установка для кроссполяризационной ОКТ.
Недостатком схемы является большая длина зонда, которая входит в оптический путь плеча интерферометра Майкельсона. Это из-за недостаточно высокой повторяемости параметров волокна приводит к плохой воспроизводимости зондов.
Вторая, более важная для практических приложений, реализация КП ОКТ метода (рис.2) выполнена, в основном, на изотропном волокне (А=1,3 мкм, ДА, = 60 мкм, ДL=21 мкм) с использованием измерительного интерферометра Физо и интерферометра Майкельсона в качестве коррелометра [12]. Частично поляризованное излучение от суперлюминесцентного источника (СЛД) подается по одномодовому волокну на поляризационный контроллер (ПК). При помощи ПК на входе формирователя задержки поляризационной моды (ФЗПМ), образованного из отрезка двулучепреломляющего (ПУ) волокна, возбуждаются две взаимно когерентные ортогональные линейно поляризованные волны с одинаковой интенсивностью x0Ex, y0Ey, которые на выход ФЗПМ приходят с разностью хода
AL-2 мм, примерно равной глубине А-скана. С выхода ФЗПМ свет вводится в основную оптическую схему, собранную на одномодовом волокне, и возбуждают на ее входе две ортогонально поляризованные волны x0Ex и y0Ey с той же
разностью оптического хода.
Е
ЗОНД
Рис.2. Оптическая схема КП ОКТ: СЛД - суперлюминесцентный диод; КП - контроллер поляризации; ФЗПМ - формирователь излучения, состоящий из отрезка двулучепреломляющего волокна; ОМВ - одномодовое волокно; ЦИРК. - 4х портовый циркулятор; ОТВ - отражающий торец волокна; объект - объект исследования; 3дБ отв. - 0,5x0,5 ответвитель; ПВЛЗ -пьезоволоконные линии задержки; ФЗ - 45° Фарадеевские заркала; ФД - фотодиоды; ДУ -дифференциальный усилитель. Пунктирной рамкой выделен зонд, а штрих-пунктирной -компенсирующий интерферометр Майкельсона, который также осуществляет продольное А-сканирование.
В процессе распространения в оптической схеме состояние поляризации обеих волн Ей, Ev в общем случае становится эллиптическим с изменением наклонов больших осей. Однако, несмотря на различные воздействия на волокно и его изгибы, ортогональность волн сохраняется. В интерферометре Физо, обе волны, отраженные от торца волокна, создают систему двух ортогональных опорных волн с заданной задержкой. Это после компенсации соответствующей разности хода, осуществляемой при помощи коррелометра, позволяет осуществить гетеродинный прием слабого рассеянного света с тем же состоянием поляризации со стабильной видностью интерференционной картины. Ввиду малой длины интерферометра Физо 1 см) достигается высокая воспроизводимость сменяемых эндоскопических зондов. Особенностью оптической схемы является организация двух каналов приема рассеянного света с поляризациями исходной волны и ортогональной ей при условии произвольного изменения поляризации пробной волны при изгибах зонда даже непосредственно в процессе измерений. Выбор длины волны практической схемы обусловлен необходимостью стабильного во внешних условиях устранения фазовой анизотропии в плечах коррелометра, что наиболее легко выполнимо при помощи двух компактных, коммерчески доступных (при А=1,3 мкм) Фарадеевских зеркал.
Результаты и выводы. Изображения биоткани, которые приведены на рис.3 (слева и в центре), демонстрируют характерные особенности, присущие кросс-поляризационному методу, в частности, уменьшенное рассеяние в ортогональную поляризацию на первой длине пробега; вызванная двулучепреломлением биоткани яркостные полосы в изображении, присущие ПЧ ОКТ-методу (правая картинка). Эксперименты с однородной, слабо рассеивающей средой показали, что при равномерно распределенных по углу и пространству микронеоднородностях, рассеивающих свет как линейные диполи, чувствительности обоих каналов потенциально одинаковы при круговой поляризации зондирующей волны, что достигается в обеих схемах разными средствами.
г
Рис.3. КП ОКТ-изображения кожи пальца, полученные при помощи первой схемы (слева), кожи пальца при помощи второй схемы (в центре). ПЧ ОКТ-изображения сухожилия цыпленка (справа). В исходной поляризации - а), в ортогональной - б).
Определены соответственно уменьшенные уровни чувствительности при различной степени упрощения схем. В обеих реализациях возможно определение не только деполяризующих свойств биологических тканей, но и измерение параметров двулучепреломления. Показано, что в реализации метода КП ОКТ на изотропном волокне возможно проведение исследования не только деполяризующих свойств биологических тканей, но и определение параметров двулучепреломления. Разработанный портативный прибор на изотропном волокне предназначен для реализации метода КП ОКТ в клинических условиях.
Работа частично поддержана Российским государственным контрактом 02.522.11.2002 от 27 апреля 2007г., а также грантами РФФИ (№ 07-02-01090, и № 07-08-00803).
1. Huang D., Swanson E.A., Lin C.P., Schuman et al. J.G. Science, 1991, 254, 1178.
2. Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Гладкова Н.Д. et al., Письма в ЖЭТФ, 1995, 61, 149.
3. Sergeev A.M., Gelikonov V.M., Gelikonov G.V. et al., Optics Express, 1997, 1, 432.
4. Schmitt J.M., Xiang S.H. Optics Letters, 1998, 23, 1060.
5. Feldchtein F.I., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M. et al., Optics Express, 1998, 3, 239.
6. Куранов Р.В., Сапожникова В.В., Шахова Н.М. et al., Квантовая электроника, 2002, 32, 993.
7. Kuranov R.V., Sapozhnikova V.V., Turchin I.V.et al., Optics Express, 2002, 10, 707.
8. Chen Z., Milner T.E., Dave D., Nelson J.S. Optics Letters, 1997, 22, 64.
9. Hee M.R., Huang D., Swanson E.A. et al., Journal of the Optical Society of America, 1992, 9, 903.
10. De Boer J.F., Milner T.E., van Gemert M.J.C. et al., Optics Letters, 1997, 22, 934.
11. Everett M.J., Schoenenberger K., Colston B.W. et al., Optics Letters, 1998, 23, 228.
12. Gelikonov V.M., Gelikonov G.V. Laser Physics Letters, 2006, 3, 445.
CROSS-POLARIZED OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY FOR ENDOSCOPIC INVESTIGATIONS
V.M. Gelikonov, G.V. Gelikonov, V.N. Romashov, S.Yu. Ksenofontov.
Abstract. Two systems for cross-polarized optical coherence tomography based on optical fibers for endoscopic investigation of biological objects in vivo are presented. The sensitivity of both systems is compared under reception of scattered light in the initial and orthogonal polarization in biological media.
