ES2329963B1 - Procedimiento para la iluminacion y adquisicion de datos para tomografia optica y sistema para su aplicacion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la iluminación y adquisición
de datos para tomografía óptica y sistema para su aplicación.
La invención se basa en la utilización de un
sistema de barrido doble en el que se utilizan dos sistemas ópticos
desacoplados de tal forma que uno conduce la luz que sirve para
iluminar o excitar fluoróforos en el interior de la muestra
mediante la generación de un conjunto de fuentes puntuales sobre la
superficie y el otro contiene la luz emitida por el objeto -bien
sea luz procedente de procesos de difusión o scattering o luz de
fluorescencia- para otro conjunto de puntos que actúan como
emisores también situados sobre la superficie. Ambos sistemas
ópticos se ajustan de forma dinámica a la topografía de la
interfase para mantener las condiciones de iluminación y registro
para todos los puntos sobre la interfase. Para ello se utiliza bien
una fuente puntual auxiliar, bien la propia fuente de
iluminación/excitación junto con un fotodetector puntual auxiliar
adicional o el anterior modificándose punto a punto los sistemas
ópticos para maximizar la intensidad registrada.
Description
Procedimiento para la iluminación y adquisición
de datos para tomografía óptica y sistema para su aplicación.
La presente invención se refiere a un sistema de
iluminación y adquisición de datos, especialmente concebido para
tomografía óptica.
El objeto de la invención es proporcionar una
implementación práctica mejorada y no invasiva de la técnica de
tomografía óptica respecto a sistemas anteriores.
La invención se sitúa en el ámbito de las
tecnologías de aplicación médica e investigación en
biomedicina.
Existen dos modalidades de tomografía óptica en
medios altamente difusores (o de alto scattering):
tomografía óptica de difusión y tomografía óptica de fluorescencia.
La primera, se basa en la utilización de radiación correspondiente
a las longitudes de onda ópticas para la localización
tridimensional y la cuantificación de regiones de absorción o
difusión en tejidos biológicos. La modalidad de tomografía óptica de
fluorescencia, también utiliza luz pero, en este caso, con el fin
de localizar tridimensionalmente y cuantificar distribuciones de
moléculas fluorescentes (fluoroforos o fluorocromos) en tejidos
biológicos.
Frente a otros sistemas de tomografía, la
utilización de radiación electromagnética en las frecuencias
ópticas no produce los efectos nocivos asociados al uso de
radiación ionizante, tal como la empleada en otros sistemas de
tomografía -por ejemplo, rayos X en CT- y se ha propuesto como
técnica de detección precoz del cáncer de mama o de monitorización
constante de la hemodinámica cerebral en recién nacidos.
La tomografía óptica de fluorescencia, además de
la ventaja anterior, permite monitorizar tridimensionalmente
numerosos procesos biológicos relacionados con la expresión génica,
presencia y activación de moléculas o nanopartículas, seguimiento
de fármacos, etc. incluso en animales de laboratorio "in
vivo". Existe una investigación intensa en la mejora de las
capacidades de marcadores fluorescentes para la reducción de su
toxicidad, funcionalización, ampliación de variedad en frecuencias
espectrales de excitación/emisión, transporte, etc. A corto plazo,
es previsible la aparición de marcadores fluorescentes inocuos que
permita usar esta técnica en diversas aplicaciones en humanos.
A pesar de las ventajas señaladas, la
utilización de luz presenta también inconvenientes asociados a las
características de la propagación de este tipo de radiación en los
tejidos que hacen difícil la extracción de información sobre el
medio. La propagación, a diferencia de lo que ocurre en medios
transparentes como el aire o los líquidos, se caracteriza por la
absorción y la existencia de numerosos procesos de difusión (o
scattering) provocando que la trayectoria de los fotones cambie
muchas veces de dirección de forma aleatoria hasta emerger de la
muestra donde pueden ser detectados. En estos medios, la
propagación de la luz se modela físicamente utilizando ecuaciones de
difusión; al contrario que en medios transparentes donde se emplean
modelos deterministas utilizando los principios de la óptica
ondulatoria o geométrica.
Muy esquemáticamente, la implementación práctica
de las técnicas de tomografía óptica conlleva la iluminación del
tejido y el análisis de la luz difundida. Tanto la fuente de
iluminación como el dispositivo de análisis de la luz deben ser, si
el sistema es no invasivo, necesariamente externos, lo cual obliga
a tener en cuenta que los objetos de interés (por ejemplo, una
muestra biológica) están constituidos por medios, en general,
altamente difusores (tejidos) rodeados de regiones no difusoras (el
aire o fluidos), es decir, la existencia de dos regímenes de
propagación en el problema. Sin entrar en detalles, este hecho
requiere registrar e incluir la superficie de interfase en el
modelo físico utilizado para la interpretación de los datos; modelo
que justifica, a su vez, el método computacional de reconstrucción
tomográfica.
El esquema del proceso de adquisición de datos
consiste en iluminar un punto de la superficie de interfase,
utilizando luz pulsada o continua, y medir la intensidad de la luz
que emerge en otro punto con un fotodetector. Repitiendo esta
operación para diferentes puntos, tanto de iluminación como de
registro, se construye una matriz de datos que se utiliza en
algoritmos matemáticos de reconstrucción tomográfica de las regiones
de absorción, en el caso de tomografía óptica de difusión, o de
distribución de emisores fluorescentes, en tomografía óptica de
fluorescencia.
Tradicionalmente, el esquema de registro de
datos anterior, y la solución del problema de cambio de régimen de
propagación, se ha implementado utilizando fibras ópticas en
contacto con la interfase por un extremo y acopladas alternadamente
a emisores de luz o fotodetectores por el otro.
La utilización de fibras ópticas en contacto
tiene varios inconvenientes. Por un lado, hay que acoplar y
mantener estables, durante el procedimiento de medida, los extremos
de las fibras ópticas sobre la superficie, por ejemplo, en contacto
con la piel. También, la densidad de fibras que pueden empaquetarse
para funcionar como emisores o detectores, impone un límite a la
densidad de puntos de iluminación y registro comprometiendo la
densidad de la matriz de datos y, como consecuencia, la resolución
del sistema de tomografía. Finalmente, es necesario utilizar, previa
o posteriormente a la colocación de las fibras, un método
independiente para determinar la topografía de la superficie de
contacto que puede incorporar errores si existen discrepancias
entre esta medida y la situación de superficie cuando se obtuvieron
los datos de intensidad.
Recientemente, presentados como un avance en
tomografía óptica de fluorescencia, se han propuesto sistemas
experimentales y métodos sin contacto, es decir, sin requerir
acoplar fibras ópticas al tejido. En estos sistemas, se incluye, en
el modelo físico, la propagación en aire de la luz emitida por un
objeto y se utiliza una cámara de CCD en aire; sin embargo,
continúa siendo necesario mantener en contacto las fuentes y
determinar la topografía de la superficie con un sistema adicional
de fotogrametría y establecer y registrar puntos de control para
asegurar el ajuste.
El sistema de iluminación y adquisición de datos
para tomografía óptica que la invención propone, resuelve, de forma
plenamente satisfactoria, la problemática anteriormente expuesta en
los distintos aspectos comentados. En particular: simplifica el
procedimiento, no compromete la densidad de datos e integra el
registro de la topografía de la superficie con el sistema de
iluminación o registro.
Para ello, la invención se basa en la
utilización de un sistema de barrido doble en el que se utilizan
dos haces de luz desacoplados sustituyendo a las fibras ópticas
antes mencionadas, de tal forma que, uno se emplea para iluminar la
muestra en un conjunto de puntos sobre la superficie de interfase,
por ejemplo, aire-tejido; y el otro está formado por
la luz emitida desde otro conjunto de puntos situados también sobre
la superficie. La luz contenida en este último haz para cada punto
emisor se analiza con un fotodetector. Almacenándose en la memoria
de un ordenador, estas medidas son utilizadas posteriormente para
la reconstrucción tomográfica.
Para generar fuentes de luz sobre la superficie
de interfase, homogéneas y puntuales (de pequeña extensión), el haz
de iluminación debe focalizarse sobre diferentes puntos de la
superficie.
Con el fin de que la señal del fotodetector se
corresponda con la luz emitida desde un área puntual -de extensión
correspondiente a la imagen que el sistema óptico de registro
genera del área efectiva (o sensitiva) del fotodetector- sobre la
superficie de interfase, se debe ajustar este sistema óptico para
que el plano conjugado de imagen de la superficie sensitiva del
fotodetector a través del sistema, coincida con la superficie de
interfase en esa localización o, de forma equivalente, la
superficie de interfase quede enfocada sobre el superficie sensitiva
del fotodetector para cada punto.
El ajuste de foco, tanto en el haz de
iluminación como en el haz correspondiente al sistema óptico de
registro, dependerá de cómo se implemente el transporte o
relay del campo electromagnético desde la fuente a la
superficie y desde la superficie al detector. Puede realizarse, por
ejemplo, mediante el desplazamiento de una lente sobre una unidad
de translación, el cambio controlado en la longitud del sistema
óptico, el incremento de distancia entre el sistema óptico y la
superficie o cualquier otro medio opto- mecánico u
opto-electrónico de cambio de fase en los haces.
En el caso de utilizar un sistema óptico de
relay con lentes y, dentro de las diferentes posibilidades
que admite esta opción, usando el desplazamiento de una de ellas
como método de ajuste, en el sistema que se preconiza participa una
fuente puntual -que puede estar constituida por un láser, una lente
de apertura numérica relativamente alta, y un pinhole o
máscara opaca con una pequeña abertura- mediante la cual se ilumina
la superficie de interfase utilizando una pareja de lentes
interpuestas entre ambos elementos, de manera que, mediante un
divisor de haz entre las dos lentes anteriores y una lente
adicional que recoge la luz devuelta por el tejido (o, de forma
equivalente, emitida por la superficie de interfase) y reflejada en
el divisor, se registra mediante un fotodetector con área activa tal
que resulte intrínsecamente puntual o bien que resulte puntual en
virtud del empleo de un pinhole adicional.
Este esquema sirve para construir un sistema de
iluminación puntual sobre la interfase. Mediante la variación de la
distancia entre la lente más próxima a la superficie y esta última,
se obtienen diferentes valores de intensidad en el detector,
correspondiendo la intensidad máxima a la posición de mejor foco de
la fuente puntual sobre la interfase o, de forma equivalente, el
mejor enfoque de la superficie sobre el fotodetector puntual.
Fijando esta distancia, el área activa del detector queda conjugada
ópticamente con la superficie, que estará iluminada con una fuente
de luz que es replica de la fuente puntual modificada por la
difracción del sistema óptico. El fotodetector tiene en este caso
un carácter auxiliar ya que su uso se limita al ajuste del sistema
óptico de iluminación.
El sistema óptico de registro que se preconiza
está formado por componentes equivalentes a los anteriores,
incluyendo una fuente de iluminación puntual. El procedimiento
anterior de búsqueda del mejor foco se aplica también en este caso.
Desplazando la lente más próxima a la interfase, se encontrará, en
un momento dado, una posición que producirá la máxima intensidad
que se corresponderá con la situación en la que el sistema óptico
de registro esté enfocado. Fijando esta posición y apagando la
fuente, el fotodetector medirá la intensidad correspondiente al
flujo de luz emitido por el objeto -generado por una fuente de
iluminación en una posición diferente sobre la superficie de
interfase generada por el haz de iluminación- a través de un área
en la superficie de interfase de extensión correspondiente al área
equivalente, de acuerdo con los aumentos del sistema, de la apertura
del pinhole en el plano de la interfase con la limitación en
captación de frecuencias espaciales impuesta por la apertura
numérica del sistema. En este caso, la fuente puntual tiene un
carácter auxiliar ya que su uso se limita al ajuste del sistema
óptico registro.
Se debe tener en cuenta que la precisión en el
ajuste de los parámetros de los sistemas de conjugación óptica -o
lo que es equivalente, la precisión en la determinación de la
superficie de interfase- depende del tamaño del pinhole y de la
apertura numérica. En la implementación práctica del método que la
invención propone debe considerarse este hecho y tener en cuenta
que una alta precisión en la topografía puede comprometer,
dependiendo de la aplicación concreta, la detectabilidad del flujo
que atraviesa la interfase si se utiliza el mismo detector puntual
y sistema óptico para ambas tareas: ajuste de la óptica mediante
luz reflejada en la interfase y análisis del flujo transmitido a
través de la interfase. Teniendo en cuenta esto, se preconiza como
alternativa utilizar dos fotodetectores puntuales con diferentes
áreas sensitivas en el haz de registro, uno auxiliar dedicado al
ajuste de los parámetros ópticos de conjugación con la interfase y
otro a la detección de flujo transmitido a través de ella. En el
sistema de iluminación, se podrían utilizar, en caso necesario, dos
fuentes de diferente extensión: una puntual auxiliar dedicada al
ajuste de los parámetros ópticos de conjugación y otra de diferente
extensión para formar una fuente de iluminación efectiva (para la
excitación de la fluorescencia o como origen de luz difundida) sobre
la interfase.
El método expuesto anteriormente de maximización
del flujo de energía que atraviesa un pinhole para ajustar
el haz de iluminación y registro localmente con la superficie de
interfase es válido para otros sistemas alternativos de variación
de foco.
Tanto para conseguir enfocar el haz de
iluminación como el sistema óptico (o haz) de registro para dos
conjuntos de puntos, no necesariamente iguales, sobre la
superficie, los sistemas anteriores se complementan con un
mecanismo genérico de barrido; por ejemplo, introduciendo en el haz
ángulos de inclinación con espejos móviles. La densidad de datos
alcanzable dependerá de la resolución angular de los sistemas de
introducción de inclinación y de la difracción.
La incorporación del mecanismo anterior de
barrido al sistema de ajuste de foco, permite que la topografía
quede codificada en el parámetro ajustable -en el caso anterior, la
posición de la lente- que puede almacenarse en la memoria de un
ordenador y es congruente con la iluminación y el registro de
información del flujo de luz emitido por la superficie de
interfase.
En el modo de reflexión, la invención propone
también la simplificación del sistema mediante la posibilidad de
combinación de los sistemas ópticos de iluminación y registro en
uno solo, posteriormente a la introducción en cada uno de ellos de
las correcciones de foco necesarias asociadas a sus respectivas
coordenadas sobre la interfase mediante, por ejemplo, un divisor de
haz o un espejo dicroico.
El sistema puede simplificarse adicionalmente de
varias maneras. Una primera es evitar el uso de la fuente auxiliar
y limitar el ajuste de foco para un conjunto de puntos sobre la
interfase sólo del haz de iluminación (o bien, evitar el uso de un
fotodetector auxiliar limitando el ajuste de foco para un conjunto
de puntos sobre la interfase sólo del haz de registro incorporando
una fuente auxiliar). La información sobre la topográfica de la
superficie de interfase obtenida en ese proceso puede ser utilizada
para ajustar el sistema óptico de registro (o de iluminación) para
esos mismos puntos u otros, extrapolando sobre los valores
obtenidos. Esta implementación conlleva la perfecta caracterización
de todo el sistema lo cual se reconoce difícil en la práctica.
Una segunda simplificación posible, teniendo en
cuenta que los fotodetectores referidos no se utilizan en ningún
caso simultáneamente, puede consistir en utilizar uno sólo,
incorporando los componentes ópticos necesarios para llevar la luz
emitida desde los puntos sobre la superficie a un fotodetector
común mientras que se obturan adecuadamente los haces.
La opción anterior consistente en utilizar sólo
el haz de iluminación (o el de registro) para encontrar los
parámetros de enfoque, no es posible si el sistema de tomografía
opera en transmisión; los elementos auxiliares que sirven para
ajustar los sistemas ópticos a la superficie deben, necesariamente,
desacoplarse y duplicarse accediendo cada uno a una de las
superficies de entrada y salida de la luz. Igual que anteriormente,
y dado que los dos fotodetectores no se usan simultáneamente,
podrían reducirse a uno en la práctica en las dos modalidades de
difusión y fluorescencia.
La invención, en cuanto al procedimiento y
método de iluminación se refiere, es válida incluso si fuera
necesario modular en el tiempo las fuentes de iluminación, como
ocurre en la generación de ondas de densidad de fotones en
tomografía óptica de difusión.
Asimismo, la invención es válida, en cuanto al
procedimiento y método de ajuste del sistema óptico de registro,
independientemente del tipo de análisis del flujo de luz
transmitido a través de la superficie de interfase, ya sea la
medida de la intensidad total o de otras características tales como
variaciones de la intensidad en el tiempo, pruebas que impliquen
diferentes longitudes de onda, análisis del espectro angular
etc.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña, como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde, con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
\newpage
La figura 1.- Muestra de forma esquemática el
principio general del sistema de iluminación y registro para
tomografía óptica que se propone.
La figura 2.- Muestra, de forma esquemática, un
sistema válido como sistema de iluminación o adquisición de datos
para tomografía óptica utilizando una configuración de relay
mediante lentes, realizado de acuerdo con el objeto de la presente
invención, representando un primer ejemplo de implementación
práctica del método propuesto de ajuste de cualquiera de los dos
sistemas a la superficie de interfase.
La figura 3.- Muestra un subsistema de barrido
incorporado al sistema de la figura anterior y que ilustra un
segundo principio del procedimiento tanto para el sistema óptico de
iluminación como de registro.
La figura 4.- Muestra una posible implementación
práctica de la invención aplicado en tomografía óptica en modo de
reflexión donde se muestran de forma explicita los módulos de
iluminación y el de registro.
La figura 5.- Muestra una posible implementación
práctica de la invención aplicado en tomografía óptica en modo de
transmisión.
La figura 6.- Muestra, finalmente, un esquema
detallado de una posible implementación práctica de la invención
especialmente concebida para tomografía óptica de fluorescencia en
el modo de reflexión utilizando espejos móviles en planos
conjugados.
A la vista de las figuras reseñadas puede
observarse como el procedimiento de la invención se basa en la
utilización de un sistema de barrido doble en el que se utilizan
dos haces de luz desacoplados de tal forma que, uno, se emplea para
iluminar la muestra en un conjunto de puntos sobre la superficie, y
el otro, recoge la luz emitida por el objeto para otro conjunto de
puntos emisores también situados sobre la superficie.
Tal como se representa en la figura 1, para
conseguir diferentes fuentes de luz sobre la interfase, homogéneas
y de pequeña extensión, una fuente puntual (S), alejada y externa,
se conjuga (o, de forma equivalente, se transporta) con un sistema
óptico, (SO1), con diferentes puntos de la superficie interfase,
(I), siendo ésta genérica y de topografía desconocida a
priori, de forma secuencial, modificando el sistema óptico
(SO1), y activamente, una vez automatizando el proceso de ajuste
con un ordenador. De igual manera, para conseguir que la señal de
un fotodetector puntual (FD), alejado y externo a la superficie de
interfase, se corresponda con el flujo de luz emitido a través de
múltiples áreas de pequeña extensión sobre la interfase (I), el
área sensitiva del detector se conjuga ópticamente secuencialmente y
activamente con diferentes puntos de la superficie utilizando el
sistema óptico (SO2). Para el ajuste de los sistemas ópticos, se
preconiza también el uso de un detector puntual auxiliar (FD') para
el ajuste del sistema (SO1) utilizando la luz reflejada hacia atrás
en la interfase; y el uso de una fuente puntual auxiliar (S') para
el ajuste del sistema (SO2) utilizando el detector (FD) y la luz
reflejada hacia atrás procedente de la fuente auxiliar (S'). Se
prevé también un sistema, bien de desplazamiento de los subsistemas
de iluminación y registro, bien el cambio de los ejes ópticos, para
el barrido de la interfase punto a punto. La invención, recoge la
posibilidad de que el área sensitiva del fotodetector (FD) sea la
adecuada para obtener cierta precisión en la función de ajuste del
sistema óptico (SO2) utilizando luz reflejada pero no para la
función de analizar la luz que atraviesa la interfase si el flujo es
demasiado débil. En ese caso, se prevé, bien el cambio dinámico del
área sensitiva del fotodetector (FD) de acuerdo con cada función,
bien el posible uso de un segundo fotodetector (FD'') con diferente
área sensitiva también conjugado con la interfase a través del
sistema óptico (SO2). De igual forma, la fuente de iluminación (S)
puede ser de extensión adecuada para la función de ajuste del
sistema óptico (SO1) pero inadecuada para la función de formar
fuentes de iluminación de cierta extensión sobre la interfase. En
este caso, se prevé, bien el cambio dinámico de la extensión de la
fuente (S) para cada función, bien el posible uso de una segunda
fuente (S'') de extensión diferente también conjugada con la
interfase a través de (SO1).
Tanto para el sistema óptico de iluminación,
(SO2), como el de registro, (SO2), pueden existir diferentes
diseños de conjugación o trasporte (relay) del campo
eléctrico de la luz y diferentes métodos de ajuste de estos
sistemas para puntos arbitrarios de una superficie de interfase de
topografía genérica y desconocida a priori. En el caso de
que los sistemas de conjugación óptica se basen en el empleo de
lentes en una configuración de relay, caben diferentes
posibilidades de ajuste activo: mediante el desplazamiento de una
de las lentes sobre una unidad de translación, a través de cambio
controlado en la longitud del sistema óptico mediante la
translación de espejos o a través del uso de cualquier otro
dispositivo optoelectrónico de introducción de un cambio controlado
de fase.
Como ejemplo, en el caso particular de que el
ajuste activo se realice mediante el desplazamiento de una lente,
las posiciones de la unidad de translación se encuentran utilizando
un sistema como el representado esquemáticamente en la figura 2, en
el que participan una fuente puntual emplazada en el punto (S1),
(en la figura construida utilizando un láser (L), una lente de
apertura numérica alta, (L1), y un pinhole (máscara opaca con
una pequeña abertura) en el plano (P1)). Esta fuente producirá un
máximo de intensidad en el plano (P2) utilizando el sistema óptico
constituido por las lentes (L2) y (L3); esta última con capacidad
de desplazamiento axial. La luz reflejada por la interfase se
recoge de nuevo con la lente (L3), se refleja posteriormente en un
divisor de haz, (DH), atraviesa una lente adicional (L4) y un
pinhole situado en el plano (P3). Un fotodetector (FD) con
cierta área efectiva (sensitiva), se sitúa detrás del
pinhole recogiendo la luz que es capaz de atravesarlo. El
sistema pinhole-fotodetector cumple la función de detector
puntual al que se ha referido con anterioridad, constituyendo el
área del pinhole, el área efectiva del fotodetector. Con
esta configuración, sólo en el caso de que la superficie de
interfase, (I), coincida con el plano (P2), se obtendrá un máximo
en la señal generada por el fotodetector. Dada una distancia
cualquiera entre el plano (P2) y la superficie (I), se obtendrá
cierto valor de intensidad en el fotodetector (FD). El
procedimiento de ajuste de la lente (L3) consiste en su
desplazamiento axial hasta obtener el valor de intensidad máximo en
el fotodetector (FD). Esa posición de la lente (L3) permite que se
forme una imagen de la fuente puntual en (S 1) en (S'1) estando (S
1') sobre la superficie de interfase (I). Manteniendo la lente (L3)
en esa posición, si el láser (Lem) se apaga y existe flujo de luz a
través de la interfase (I) debido a la existencia de una fuente de
luz alternativa, la intensidad en el fotodetector (FD) se
corresponde con el flujo de luz emitido por el objeto a través de
una pequeña área en la superficie de interfase de extensión
correspondiente al área equivalente (de acuerdo con los aumentos
del sistema óptico) de la apertura del pinhole en el plano
(P2) sobre la superficie de interfase (I), con la limitación de
frecuencias espaciales impuesta por la apertura numérica del
sistema óptico.
El procedimiento descrito en el apartado
anterior, basado en maximizar la señal en un detector puntual, es
válido para otras opciones de ajuste de la conjugación óptica de
fotodetectores y fuentes con la superficie de interfase del sistema
de iluminación o de registro.
Siguiendo con el ejemplo de sistema óptico de
relay o conjugación óptica mediante lentes, desplazando una
de ellas, tanto para conseguir enfocar el haz de iluminación como el
sistema de registro para diferentes puntos sobre la superficie, el
sistema de la figura 2 se complementa según se describe en la
figura 3. Consistiendo la extensión en añadir un mecanismo genérico,
(SC), que introduce en el haz un ángulo de inclinación controlado
de forma que puedan iluminarse diferentes puntos ((S1'), (S2''),
etc. sucesivamente sobre la interfase. En la figura 3 se representa
el proceso de ajuste de la posición de la unidad de translación
para diferentes puntos sobre la superficie, siguiendo la estrategia
definida anteriormente para localizar las posiciones de la lente
(L3), de acuerdo con la topografía de la superficie. Los valores
obtenidos para el desplazamiento de la lente (L3) pueden
almacenarse en la memoria de un ordenador asociados a los de
variación de ángulo del sistema (SC) y codifican la topografía de
la superficie, dato que, como se ha indicado antes, es necesario
para la reconstrucción tomográfica. Una vez ajustada la lente (L3)
para una posición sobre la interfase, por ejemplo (S1'), si se apaga
el láser (Lem), y existen fuentes de luz alternativas, la señal del
fotodetector (FD) estará relacionada la intensidad correspondiente
al flujo emitido a través del área sobre la superficie de interfase
(I) de extensión correspondiente a la imagen del área activa del
fotodetector (área del pinhole) sobre la interfase centrada
en el punto (Sr). Este proceso se repite para otros puntos (S2')
cambiando el ángulo introducido por el sistema (SC).
El sistema completo de iluminación y registro se
representa en la figura 4 y consiste, en esencia, en duplicar el
sistema de la figura 3. El sistema de iluminación tiene como origen
el láser (Lex) que genera una fuente puntual en (S2); el sistema
(SC2) introduce un ángulo de tal forma que se genera la imagen de
la fuente en el punto (S2) en la posición (S2'). La señal producida
por el fotodetector (FD2) sirve para encontrar el desplazamiento
correcto de la lente (L9) de tal forma que (S2') se sitúe sobre la
interfase (I). Por otro lado, el láser (Lem) produce una fuente
puntual en (S1) que, para un ángulo determinado introducido por
(SC1), se transportará ópticamente al punto (S1'). El fotodetector
(FD1) sirve para ajustar la lente (L4) de tal forma que (S1')
coincida con la interfase (I). Mientras que Lex permanece encendido
y SC 1 y SC2 no modifican su estado, se apaga el láser (Lem). En
esta situación, coincidente con la mostrada en la figura 4, (S2'),
actúa como fuente de excitación/iluminación puntual sobre la
interfase, registrando el fotodetector (FD1), la luz emergente del
punto (S1') sobre la interfase (renombrado (S3) en la figura 4)
conjugado con el punto (S3') sobre el pinhole en el plano
(P2). El proceso: cambio de estado en (SC1), (SC2), láseres (Lex) y
(Lem), encendidos; ajuste de las lentes (L9) y (L4) utilizando la
señales proporcionadas por (FD1) y (FD2); láser (Lex) encendido y
láser (Lem) apagado; registro de la intensidad medida por el
fotodetector (FD1); se repite para diferentes puntos sobre la
superficie (I), construyendo el conjunto de datos que, junto con la
información topográfica recogida en el mismo proceso, se utilizan
para resolver el problema de reconstrucción tomográfica.
A partir del establecimiento de un esquema de
distribución de fuentes y detectores en el plano transversal, en
donde la densidad de datos queda condicionada principalmente por la
resolución angular de los sistemas (SC1) y (SC2), todos los
procesos anteriores pueden ser controlados de forma automática con
un ordenador de tal forma que tanto el sistema de iluminación como
el de registro, se adapte de forma activa a la superficie de
interfase sea ésta cual sea.
Si el destino del sistema es la modalidad de
tomografía óptica de difusión, se utilizaría el divisor de haz,
(DH). En tomografía óptica de fluorescencia, puede usarse, en lugar
del divisor de haz, un espejo dicroico, (ED), y/o un filtro
espectral, (F), para bloquear la llegada al detector de luz con la
frecuencia de excitación generada por el láser (Lex). En este último
caso, la frecuencia del láser (Lem) debe ser tal que la luz
atraviese el espejo dicroico (ED) y el filtro (F). Un opción
alternativa es utilizar un único láser, (Lex), dividiendo el haz en
dos partes mediante un nuevo divisor de haz, de tal forma que uno
de los haces genere fuentes en (S1) y el otro en (S2). En
tomografía óptica de difusión, sólo un láser es necesario ya que
sólo una longitud de onda esta en juego y el proceso de apagar el
láser, indicado anteriormente, se substituye por el cierre de un
obturador; con un solo láser, en tomografía óptica de
fluorescencia, sería necesario incorporar en el sistema
electromecánicamente los componentes ED y/o (F).
En principio, el uso de la fuente generada con
los componentes (Lem), (L1), (P1) y (L2) en la figura 4 puede
eliminarse totalmente utilizando la fuente en (S2) para, en un
barrido preliminar generado con SC2 y procediendo con el método
descrito de ajuste activo de la lente L9, determinar, punto a
punto, la topografía de la superficie respecto a un plano de
referencia. Esta información se utilizaría en una segunda etapa para
ajustar la lente (L3) para cada punto de registro de flujo
emergente de la interfase (I) correspondiente a diferentes ángulos
introducidos por el sistema (SC2) correspondientes a cada punto de
iluminación (S2') (resultaría entonces innecesario también el
componente (DH)). Aunque el sistema se simplifica con esta opción,
esta estrategia puede tener contrapartidas asociadas al calibrado
de los sistemas (SC1) y (SC2) y al hecho de dividir el proceso de
adquisición en dos partes: una preliminar, en la que se barre la
zona de interés en la interfase con el haz de excitación y se
almacenan en la memoria del ordenador los valores de enfoque y, una
segunda, en la que se procede a la excitación y registro utilizando
los valores guardados, confiando en que, en el intervalo de tiempo
entre las dos etapas no se introduzcan inconsistencias en los datos
si la estabilidad del objeto no está asegurada.
Por otro lado, y con referencia también a la
figura 4, teniendo en cuenta que los fotodetectores (FD1) y (FD2)
no se utilizan en ningún caso simultáneamente, es posible
simplificar aun más el sistema, incorporando los componentes ópticos
necesarios para llevar la luz emitida desde los puntos (S2') y (S3)
a un fotodetector común, obturando el haz procedente de (S2')
cuando se esté registrando luz procedente de (S3).
Si el sistema se utiliza en transmisión en lugar
de en reflexión deberá modificarse de la forma que se esquematiza
en la figura 5. Los sistemas que ajustan el sistema óptico a la
superficie deben duplicarse, accediendo cada uno a una de las
superficies (I1) e (I2). En el caso de tomografía óptica de
fluorescencia se usa un filtro espectral (F) para seleccionar la
longitud de onda de emisión y bloquear la de excitacion. A pesar de
que, en la figura, se muestran dos láseres, (Lex) y (Lem), podría
utilizarse uno sólo dividiendo el haz en dos partes, como ya se ha
indicado anteriormente. De la misma forma los dos detectores
(subsistemas: (L5-P2-D1) y
(L10-P4-D2)) podrían reducirse a
uno, tanto en el caso de tomografía óptica como en el de tomografía
óptica de fluorescencia.
Un ejemplo más concreto es el mostrado en la
figura 6, en el que el sistema se emplea en tomografía de
fluorescencia para la localización y cuantificación tridimensional
de fluorocromos, (FLs), embebidos en un objeto difusor, (O), que
puede ser un tejido ex-vivo o
in-vivo. Un láser con longitud de onda
correspondiente a la de excitación de los fluorocromos, (Lex), sirve
para generar una fuente de luz puntual en el plano (P1'). La lente
(L1') enfoca el haz del láser sobre un pinhole de tamaño
adecuado para dejar pasar la intensidad máxima y filtrar
espacialmente el haz. Las lentes (L2') y (L3') forman una imagen
del punto sobre el plano (P2') ((P1') y (P2') son planos
conjugados). (GS1') es un espejo plano móvil galvanométrico cuyo
ángulo se controla electrónicamente y que introduce en el haz un
ángulo en el plano horizontal. (L3') y (L4') conjugan el plano que
contiene el eje de rotación de (GS1') con el eje de rotación
perpendicular de otro espejo móvil de características similares al
anterior, (GS2'), que desvía el haz perpendicularmente al plano del
dibujo e introduce en el haz un ángulo variable. El espejo (M1')
lleva el haz de nuevo al plano horizontal y las lentes (L4') y
(L5') conjugan el plano (P2') sobre (P3'). El sistema de lentes
(L6') y (L7') conjugan el plano (P3') sobre (P4'), este último
coincide con la superficie de interfase. La lente (L6') está
montada sobre una unidad de translación motorizada (TS) controlada
por ordenador. El espejo M2 y el espejo dicroico DM hacen coincidir
el eje de L6' con el de L7.
Parte de la luz se refleja en la interfase
siguiendo el camino hacia atrás, primeramente reflejándose en el
espejo dicroico (DM) y, después, a través del sistema, reflejándose
en el divisor de haz (DH'). La luz continúa después de esta
reflexión a través de la lente (L8') que conjuga el plano (P4) sobre
el plano (P5') en donde se sitúa un pinhole. Detrás, un
fotodetector recoge, con ayuda de la lente L9', la intensidad de la
luz que es capaz de atravesar el pinhole.
Para cada ángulo de los espejos (GS1) y (GS2),
correspondientes a unas coordenadas transversales predefinidas en
el plano (P4), la unidad de translación se desplaza
longitudinalmente mientras se mide la intensidad recogida por el
fotodetector. El valor de desplazamiento longitudinal,
correspondiente a la intensidad máxima, se almacena en la memoria
del ordenador, asociado al valor de las coordenadas transversales.
De forma equivalente, con este proceso se definen las coordenadas
de un vector de posición en el espacio para un punto sobre la
superficie.
También, para un ángulo particular de los
espejos (GS1) y (GS2) -una vez concluido el proceso de ajuste de la
posición de la lente (L6'), disponiendo ya de una fuente puntual de
luz sobre la superficie para la excitación de los fluoroforos en el
interior del medio- los espejos móviles (GS1') y (GS2') giran un
ángulo determinado asociado a unas coordenadas transversales
preestablecidas. La luz procedente del láser (Lem) sirve para el
ajuste de la lente (L6) mediante el movimiento de la unidad de
translación (TS). Para ello, se utiliza la luz reflejada en la
interfase que ahora atraviesa el espejo dicroico (DM) y es
detectada con el fotodetector (FD) una vez atravesado el filtro
espectral (F). A continuación, el láser (Lem) se apaga y se
procede, seguidamente, a adquirir y almacenar en un ordenador el
dato de intensidad de la luz de fluorescencia emergente de la
superficie -capaz de atravesar también (DM) y (F) - asociándolo a
las coordenadas de excitación y emisión sobre la superficie.
El procedimiento, controlado automáticamente por
un ordenador, se repite para diferentes coordenadas para la fuente
de excitación (ángulos de GS1' y GS2') y, para cada una de ellas,
diferentes coordenadas del punto de emisión (ángulos de (GS1) y
(GS2)) construyendo así la matriz de datos necesaria para utilizar
un algoritmo de reconstrucción tomografía que dará como salida la
localización y cuantificación de los fluorocromos en el medio.
Claims (11)
1. Procedimiento para la iluminación y
adquisición de datos en tomografía óptica, caracterizado
porque tiene la capacidad de iluminar la superficie de interfase,
(I), que separa medios de diferentes características ópticas, (M1)
y (M2), mediante conjugación óptica de una fuente de luz
considerada puntual, alejada de la interfase e inmersa en el primer
medio (S); y también porque se adquiere información del flujo de
luz que atraviesa la interfase procedente del segundo medio, (M2),
en dirección al primero, (M1), mediante un fotodetector considerado
puntual, (FD), alejado de la interfase, inmerso en el primer medio,
conjugado ópticamente con un área considerada puntual en la
superficie de interfase; habiéndose previsto el ajuste automático y
activo de los parámetros del sistema óptico necesarios para realizar
la conjugación óptica de forma dinámica con diferentes puntos de la
superficie de interfase, tanto del sistema óptico correspondiente a
la de la fuente de iluminación, (SO1), como el sistema óptico
correspondiente al fotodetector, (SO2); habiéndose previsto para el
antecitado ajuste utilizar una fuente puntual auxiliar, (S'),
adicional o no a la anterior, y un fotodetector puntual auxiliar,
(FD'), adicional al anterior o no, llevándose a cabo un
procedimiento de búsqueda mediante la variación de los parámetros
de los sistemas ópticos de conjugación, (SO1) y (SO2), entre
fuentes de iluminación, (S) y (S'), interfase, (I), y
fotodetectores, (FD) y (FD'), con el objetivo de maximizar la
intensidad detectada de la luz reflejada en la interfase (I);
habiéndose previsto también, llevar a cabo el procedimiento
anterior para dos conjuntos de puntos, siendo uno de ellos el que
contiene los puntos de iluminación de la interfase y el otro puntos
en la interfase de caracterización del flujo de luz a través de
ésta; habiéndose previsto para ello el uso de un sistema doble de
barrido, que funcione introduciendo, a la vez, cambios en los
sistemas ópticos de iluminación, (SO1), y registro, (SO2), de forma
independiente, y que actúe simultáneamente, de tal forma, que el
primero permita generar fuentes puntuales en diferentes posiciones
sobre la superficie de interfase (I) y conjugadas ópticamente con
la fuente de luz externa puntual (S) y, opcionalmente, estática e
inmersa en el primer medio y correspondientes al primer conjunto de
puntos, y el segundo para obtener información de flujo, usando un
detector puntual externo (FD), opcionalmente estático e inmerso en
el primer medio, conjugado ópticamente con diferentes áreas
consideradas puntuales coincidentes con la superficie de interfase
correspondientes al segundo conjunto de puntos.
2. Sistema de iluminación y adquisición de datos
para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación
1ª caracterizado porque, opcionalmente, se utiliza, en el
sistema de iluminación dos fuentes puntuales con diferente
extensión dedicándose una (S'') a la función de ajuste del sistema
de conjugación óptica (SO1) y la otra (S) a la función de generación
de una fuente de iluminación puntual sobre la interfase (I), o una
única fuente puntual (S) capaz de cambiar su extensión
dinámicamente de acuerdo con cada función.
3. Sistema de iluminación y adquisición de datos
para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación
1ª caracterizado porque, opcionalmente, se utiliza, en el
sistema de registro dos fotodetectores puntuales con diferente área
sensitiva dedicándose uno (FD'') al ajuste del sistema de
conjugación óptica (SO2) y otro (FD) al análisis de la luz
transmitida a través de la interfase (I), o un único fotodetector
puntual (FD) con capacidad de cambiar su área sensitiva
dinámicamente de acuerdo con cada función.
4. Sistema de iluminación y adquisición de datos
para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación
1ª, caracterizado porque, en el ajuste de los parámetros de
conjugación óptica participan, como núcleo del sistema, una fuente
de luz puntual en el punto (S1), en el plano (P1), una pareja de
lentes (L2) y (L3), de manera que generen una fuente conjugada
respecto a la anterior en el punto (S'1) en el plano (P2),
disponiéndose entre dichas lentes, (L2) y (L3), de un divisor de
haz (DH), que dirige la luz reflejada hacia una lente (L4), tras la
que se sitúa un fotodetector (FD) puntual en el plano (P3),
localizándose posterior a la lente (L4), obligando a que exista una
posición de la lente (L3) o, en general, una fase introducida en la
luz por este componente, que produzca la señal de valor máximo en el
fotodetector (FD) asociada a la situación en la que la fuente en el
punto (S'1) coincide con la superficie de interfase (I).
5. Sistema de iluminación y adquisición de datos
para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación
1ª, caracterizado por incorporar en el sistema un mecanismo,
(SC), dotado de medios capaces de introducir ángulos controlados en
la luz de tal manera que pueda buscarse el valor de los parámetros
necesarios para conjugar ópticamente diferentes puntos de la
interfase con el fotodetector y la fuente en posiciones fijas en el
espacio.
6. Sistema de iluminación y adquisición de datos
para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación
1ª, caracterizado porque, en modo de reflexión, en el
sistema óptico, o haz, de iluminación y en el sistema óptico, o
haz, de registro, opcionalmente, se utilizan dos subsistemas
ópticos genéricos e independientes, (SC1) y (SC2), para introducir
ángulos en la luz para barrer diferentes puntos de la superficie de
interfase y dos subsistemas ópticos genéricos e independientes de
modificación de fase en cada uno de los haces que permitan ajustar
la conjugación óptica de fuentes y detectores a la topografla de la
superficie de interfase, previamente a la combinación de los haces
de iluminación y registro mediante un divisor de haz (DH) o espejo
dicroico (ED) en un único sistema óptico común, (L5), situado
después -en el sentido del haz de iluminación- y previo a la
interfase (I).
7. Sistema de iluminación y adquisición de datos
para tomografía óptica, según reivindicación 6ª,
caracterizado porque, opcionalmente, en sustitución del
divisor de haz (DH) o espejo dicroico (ED) próximo a la interfase
frontal (I1), incorpora una lente (L6) próxima a la interfase
posterior (I2) a la que está asociado un sistema óptico de
similares características que el asociado a la lente (L5).
8. Sistema de iluminación y adquisición de datos
para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación
1ª y siguientes, caracterizado porque los sistemas de
barrido de iluminación y registro consisten en dispositivos que
introducen ángulos en planos conjugados con el plano
correspondiente a la pupila de entrada/salida del sistema óptico que
finalmente focaliza la luz de iluminación y primero recoge la luz
emitida por la superficie de interfase, y porque los ajustes de
enfoques para distintos puntos de la superficie de interfase se
realizan modificando los sistemas ópticos entre los planos donde se
introducen los ángulos y la pupila de entrada/salida del sistema
óptico que focaliza la luz de iluminación y primero recoge la luz
emitida por la superficie de interfase.
9. Sistema de iluminación y adquisición de datos
para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación
1ª y siguientes, caracterizado porque los sistemas de
barrido consisten en espejos con capacidad de rotación cuyos ejes
de rotación se sitúan en planos conjugados entre ellos y también
con el plano correspondiente a la pupila de entrada o salida del
sistema óptico que focaliza la luz de iluminación y recoge la luz
emitida por la superficie de interfase.
10. Sistema de iluminación y adquisición de
datos para tomografía óptica, según el procedimiento de la
reivindicación 1ª y siguientes, caracterizado porque las
fuentes puntuales y/o los fotodetectores puntuales consisten en
fuentes y/o fotodetectores no puntuales modificadas en virtud del
uso de lentes que enfocan la luz sobre pinholes.
11. Procedimiento para la iluminación y
adquisición de datos en tomografía óptica, según el procedimiento
de la reivindicación 1ª y siguientes, caracterizado porque
se realiza un barrido preliminar de la superficie de interfase
utilizando una fuente puntual y un fotodetector puntual y la
información topográfica obtenida sobre la superficie a través de la
búsqueda de la intensidad máxima en la luz reflejada se utiliza en
una siguiente etapa para ajustar punto a punto el sistema de
registro y, opcionalmente, si es puntual, el sistema de
iluminación.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701407A ES2329963B1 (es) | 2007-05-23 | 2007-05-23 | Procedimiento para la iluminacion y adquisicion de datos para tomografia optica y sistema para su aplicacion. |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701407A ES2329963B1 (es) | 2007-05-23 | 2007-05-23 | Procedimiento para la iluminacion y adquisicion de datos para tomografia optica y sistema para su aplicacion. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2329963A1 ES2329963A1 (es) | 2009-12-02 |
| ES2329963B1 true ES2329963B1 (es) | 2010-08-30 |
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| ES200701407A Active ES2329963B1 (es) | 2007-05-23 | 2007-05-23 | Procedimiento para la iluminacion y adquisicion de datos para tomografia optica y sistema para su aplicacion. |
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|---|---|
| ES (1) | ES2329963B1 (es) |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20091202 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2329963B1 Country of ref document: ES |