ES2354287T3

ES2354287T3 - Aparato y método para realizar una desmodulación en cuadratura por polarización en tomografía de coherencia óptica.

Info

Publication number: ES2354287T3
Application number: ES06813365T
Authority: ES
Inventors: Guillermo J. Tearney; Brett Eugene Bouma; Seok-Hyun Yun; Benjamin J. Vakoc
Original assignee: General Hospital Corp
Current assignee: General Hospital Corp
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2011-03-11
Anticipated expiration: 2026-08-09
Also published as: CN101238347B; WO2007019574A2; EP2207008A1; JP2013253986A; KR20080042883A; CN101238347A; EP1913332B1; JP2009505073A; EP2267404B1; KR101387454B1; JP5547402B2; ATE484727T1; WO2007019574A3; DE602006017558D1; US9441948B2; EP1913332A2; JP5718988B2; US20070035743A1; EP2267404A1

Abstract

Un aparato de tomografía de coherencia óptica que comprende: al menos una primera disposición (100, 105, 115, 400, 405) configurada para proporcionar al menos una primera radiación electromagnética a una muestra biológica (130) y al menos una segunda radiación electromagnética a una referencia, en el que la al menos una primera disposición está configurada para hacer que al menos una de la primera y la segunda radiación electromagnética tenga un espectro que cambia con el tiempo y al menos una segunda disposición (401, 415, 410, 420) y configurada para combinar un primer componente de polarización de al menos una tercera radiación proporcionada simultáneamente desde múltiples profundidades de la muestra biológica y asociada a la al menos una primera radiación con un segundo componente de polarización de al menos una cuarta radiación asociada a la al menos una segunda radiación, en el que el primer y el segundo componente de polarización están controlados específicamente para que sean, aproximadamente, ortogonales entre sí, comprendiendo además al menos una tercera disposición (425, 430, 435, 440, 445, 450, 455, 460, 465) configurada para detectar al menos una señal derivada de una interferencia entre el primer y el segundo componente de polarización, en el que la al menos una tercera disposición está configurada además para detectar al menos una señal adicional derivada de una interferencia adicional entre el primer y el segundo componente de polarización, en el que fases de la interferencia y de la interferencia adicional, respectivamente, son sustancialmente diferentes entre sí.

Description

Aparato y método para realizar una desmodulación en cuadratura por polarización en tomografía de coherencia óptica.

Referencia a solicitudes relacionadas

Esta solicitud se basa en la Solicitud de Patente estadounidense Nº 60/708.271, presentada el 9 de agosto de 2005, y reivindica el beneficio de prioridad de la misma.

Declaración relativa a investigación subvencionada por el gobierno federal

La investigación que dio lugar a la presente invención fue financiada, al menos en parte, por el Instituto Nacional de la Salud, números de concesión R33 CA110130 y R01 HL076398. Por consiguiente, el gobierno de EEUU puede tener algunos derechos sobre la invención.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un aparato y a un procedimiento para procesar señales procedentes de técnicas de tomografía de coherencia óptica y, más en particular, a una desmodulación de señales de tomografía de coherencia óptica de dominio Fourier que se puede usar para formación de imágenes transversales de alta resolución de muestras turbias, semiturbias y transparentes, que incluyen diversas muestras biológicas.

Antecedentes

Por lo general, las técnicas de tomografía de coherencia óptica ("OCT") proporcionan imágenes transversales de muestras biológicas con una resolución en una escala de varios a decenas de micrómetros. Las técnicas de OCT convencionales, tales como la OCT de dominio temporal ("TD-OCT"), por lo general, pueden usar procedimientos de interferometría de baja coherencia para conseguir mediciones de profundidad dentro de una muestra. Por el contrario, las técnicas de OCT de dominio Fourier ("FD-OCT") pueden usar procedimientos de radar espectral para conseguir mediciones de profundidad dentro de la muestra. Las técnicas de FD-OCT permiten mayores velocidades de formación de imágenes debido a un mayor rendimiento señal/ruido y a una eliminación de un rayo de referencia del interferómetro escaneado mecánicamente. Una implementación estándar de la técnica de medición espectral de los sistemas de FD-OCT no permite discriminar entre objetos en desplazamientos positivos y negativos en relación con la profundidad ajustada a trayectoria interferométrica. Esta posible degradación de profundidad (alternativamente denominada ambigüedad conjugada compleja) puede limitar la profundidad de formación de imágenes dentro de la muestra a profundidades positivas o negativas (lo que puede evitar la ambigüedad de las mediciones de profundidad), reduciendo de manera eficaz la profundidad de formación de imágenes inherente en un factor predeterminado (por ejemplo, un factor de dos).

La degradación de profundidad de los sistemas de FD-OCT puede ser resultado de la detección única del componente real de la franja de interferencia generalmente compleja entre el rayo de muestra y el rayo de referencia. Si se detecta el interferograma complejo, la degradación de profundidad que se ha descrito anteriormente se puede eliminar o al menos reducir. Se han implementado varias técnicas de desmodulación para poder medir el interferograma complejo. Dichas técnicas convencionales incluyen técnicas de desplazamiento de fase, técnicas de desmodulación mediante acopladores 3x3 con fusible y técnicas de desplazamiento de frecuencia. Por lo general, las técnicas de desplazamiento de fase usan un elemento modulador de fase activo del interferómetro para ajustar dinámicamente la fase relativa entre el rayo de muestra y el rayo de referencia. Para producir el interferograma complejo se pueden medir y combinar múltiples interferogramas en distintos desplazamientos de fase. Uno de los inconvenientes de esta técnica convencional es que los interferogramas se miden sucesivamente en el tiempo. Este tipo de medición reduce la velocidad de formación de imágenes del sistema y permite desplazamientos de fase en el interferómetro para degradar la precisión de medición. Los acopladores 3x3 con fusible pueden producir interferogramas en cada uno de los 3 puertos de salida con desplazamiento de fase entre sí. El desplazamiento de fase puede depender del coeficiente de acoplamiento. Por ejemplo, dichas salidas se pueden detectar y recombinar para producir el interferograma complejo si se conocen las relaciones de fase relativa. La alta temperatura, la longitud de onda y la sensibilidad de polarización del acoplador 3x3 con fusible (y en general NxN con fusible) se usa de manera limitada en muchos esquemas de desmodulación interferométrica ya que requiere una desmodulación precisa. Técnicas convencionales de desplazamiento de frecuencia se han aplicado satisfactoriamente a sistemas de formación de imágenes de dominio de frecuencia óptica. No obstante, no se conoce que dichas técnicas se hayan usado en los sistemas de SD-OCT. Uno de los motivos es que dichas técnicas de desplazamiento de frecuencia normalmente utilizan elementos activos y tienen anchos de banda ópticos potencialmente limitados. Además, por lo general, dichas técnicas no son directamente compatibles con la activación no lineal para eliminar alinealidades de barrido de la
fuente.

En el documento de Jun Zhang y col.: "Full range polarization-sensitive Fourier Domain Optical Coherency Tomography", Optics Express, vol. 12, Nº 24, de 29 de noviembre de 2009, págs. 6033 a 6039, se describe un sistema de FD-OCT basado en fuente de barrido.

En el documento de Yonghua Zhao y col.: "Real time phase-resolved functional optical coherence tomography by use of optical Hilbert transformation", Optics Letters, vol. 27, Nº 2, de 15 de enero de 2002, págs. 98 a 100, se describe la detección de cuadratura en OCT.

Por consiguiente, existe la necesidad de solucionar las deficiencias que se han descrito anteriormente en este documento.

Objetos y Resumen de las realizaciones de ejemplo

Para abordar y solucionar los problemas y/o deficiencias que se han descrito anteriormente se proporcionan realizaciones de ejemplo de sistemas y procedimientos conforme a la presente invención, según se definen en las reivindicaciones 1 y 12, para realizar una desmodulación en cuadratura, pasiva, totalmente óptica de salidas inteferométricas de la FD-OCT. Se pueden utilizar elementos ópticos concretos para crear ópticamente componentes en cuadratura de un interferograma complejo. La detección y la adecuada recombinación de dichas salidas en cuadratura pueden permitir la medición del interferograma complejo. Como tal, las realizaciones de ejemplo de la presente invención facilitan la eliminación, o al menos una reducción, de las limitaciones de intervalo de imagen debido a la degradación de profundidad.

Cuando se usan en un sistema de formación de imágenes de dominio de frecuencia óptica ("OFDI"), las realizaciones de ejemplo de la presente invención permiten tanto una detección de diversidad de polarización como una detección compensada para una eliminación o una reducción de un ruido de intensidad de fuente. Las realizaciones de ejemplo de la presente invención se pueden combinar con activación no lineal a fin de facilitar, por ejemplo, una reducción sustancial de requisitos de postprocesamiento, que puede ser importante para la formación de imágenes a alta velocidad.

Cuando se usan con el sistema de SD-OCT, las realizaciones de ejemplo de la presente invención facilitan un aumento (por ejemplo, una duplicación) del intervalo de profundidad de formación de imágenes.

Por consiguiente, según una realización de ejemplo de la presente invención, un aparato y un procedimiento que pueden proporcionar al menos una primera radiación electromagnética a una muestra y al menos una segunda radiación electromagnética a una referencia, de tal manera que la primera y/o la segunda radiación electromagnética tienen un espectro que cambia con el tiempo. Además, un primer componente de polarización de al menos una tercera radiación asociada a la primera radiación se combina con un segundo componente de polarización de al menos una cuarta radiación asociada a la segunda radiación. El primer y el segundo componente de polarización se controlan específicamente para que sean al menos, aproximadamente, ortogonales entre sí.

Además, se puede detectar al menos una señal derivada de una interferencia entre el primer y el segundo componente de polarización. La señal y/o la señal adicional se pueden modificar en una primera señal modificada y/o en una segunda señal modificada, respectivamente, a partir de datos predeterminados. Se pueden obtener una pluralidad de señales que son la señal y/o la señal adicional, se pueden determinar características estadísticas de la pluralidad de señales y se pueden obtener los datos predeterminados a partir de las características estadísticas.

Según otra realización de ejemplo de la presente invención, una diferencia de fase de la primera y de la segunda señal modificada puede acercarse más a, aproximadamente, np+p/2 que una diferencia entre una fase de la señal y/o de la primera señal, en la que n es un número entero y mayor o igual a 0. Fases de la interferencia y de la interferencia adicional pueden ser sustancialmente diferentes entre sí. Una diferencia de fases de la interferencia y de la interferencia adicional puede ser sustancialmente np+p/2, en la que n es un número entero y mayor o igual a 0. La cuarta radiación y al menos una parte de la tercera radiación pueden tener al menos un retardo una respecto a otra y se puede producir una imagen en función del retardo, de la señal y de la señal adicional. El retardo puede incluir al menos una sección positiva y al menos una sección negativa y se puede hacer una distinción entre al menos partes de la imagen que tienen secciones positivas y negativas. Se puede medir el signo y la magnitud del retardo.

Según otra realización de ejemplo de la presente invención, una disposición y un procedimiento pueden proporcionar al menos una primera radiación electromagnética a una muestra y al menos una segunda radiación electromagnética a una referencia, de tal manera que la primera y/o la segunda radiación electromagnética tienen un espectro que cambia con el tiempo. Además, se puede generar una primera señal, en función de una primera interferencia entre al menos una tercera radiación asociada a la primera radiación y al menos una cuarta radiación asociada a la segunda radiación, y una segunda señal, en función de una segunda interferencia entre la tercera radiación asociada y la cuarta radiación. La primera y la segunda interferencia pueden ser diferentes entre sí. Se puede proporcionar una disposición que tiene una birrefringencia asociada a la misma para controlar específicamente, en función de la birrefringencia, una diferencia de fases de la primera y de la segunda interferencia para excluir np, en la que n es un número entero y mayor o igual a 0.

Estos y otros objetos, características y ventajas de la presente invención resultarán evidentes tras leer la siguiente descripción detallada de las realizaciones de la invención junto con las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Otros objetos, características y ventajas de la invención resultarán evidentes gracias a la siguiente descripción detallada cuando se lea junto con las figuras adjuntas que muestran realizaciones ilustrativas de la presente invención, en las que:

la fig. 1 es un diagrama de bloques de una realización de ejemplo de un sistema de FD-OCT esquemático;

la fig. 2 es un diagrama de bloques de una realización de ejemplo de una disposición de desmodulación óptica por polarización que usa componentes de óptica volumétrica según la presente invención;

la fig. 3 es un diagrama de bloques de otra realización de ejemplo de la disposición de la fig. 2 modificada para permitir una detección compensada para una reducción del ruido de fuente;

la fig. 4 es un diagrama de bloques de una realización de ejemplo adicional de la disposición de la fig. 3 modificada para permitir tanto la detección compensada como la detección de diversidad de polarización;

la fig. 5 es un diagrama de bloques de otra realización de ejemplo de una disposición de desmodulación óptica que puede ser funcionalmente equivalente a la disposición de la fig. 4 y modificada para usar todos los componentes de fibra óptica o gran parte de los mismos;

la fig. 6 es un diagrama de bloques de otra realización de ejemplo más del sistema de FD-OCT según la presente invención modificada para incorporar un modulador de fase que se usa para calibración de cualquiera de las disposiciones de ejemplo que se muestran en las figs. 2 a 5;

la fig. 7 es un diagrama de flujo de una realización de ejemplo de un procedimiento de ejemplo según la presente invención correspondiente a una calibración de los sistemas de ejemplo de la presente invención y a un funcionamiento de dichos sistemas;

la fig. 8 es un diagrama de bloques de una implementación de ejemplo de un sistema de OFDI según la presente invención que puede usar cualquiera de las disposiciones de desmodulación óptica de ejemplo según la presente invención

las figs. 9A a 9D son gráficos de líneas A medidas resultantes, de ejemplo, recibidas del sistema de ejemplo de la fig. 8;

la fig. 10A es un gráfico de un función de dispersión de punto axial medida, de ejemplo, que se muestra con y sin el reloj modulado en frecuencia;

la fig. 10B es un gráfico de una forma de onda excitadora del oscilador de tensión controlada ("VCO") correspondiente a un reloj sin modular en frecuencia (por ejemplo, curva de tensión constante) y a un reloj modulado en frecuencia y

las figs. 11A y 11B son imágenes de piel humana con y sin el uso de la desmodulación compleja, respectivamente.

Salvo que se indique lo contrario, en todas las figuras se usan los mismos caracteres y números de referencia para indicar características, elementos, componentes o partes similares de las realizaciones que se ilustran. Además, si bien, a continuación se describirá en detalle la invención objeto de esta patente haciendo referencia a las figuras, esto se hace en relación con las realizaciones ilustrativas. Se pretende que se puedan realizar cambios y modificaciones a las realizaciones que se describen sin apartarse del auténtico alcance y espíritu de la invención objeto de esta patente según se define en las reivindicaciones adjuntas.

Descripción detallada de realizaciones de ejemplo Teoría de las realizaciones de ejemplo de la invención

Por lo general, las técnicas de OCT de dominio Fourier consiguen mediciones de profundidad usando técnicas de radar espectral en las que reflexiones procedentes de una muestra interfieren con un haz de referencia, y el interferograma resultante se puede medir en función de la longitud de onda óptica. En la fig. 1 se muestra esquemáticamente una realización de ejemplo de un sistema de FD-OCT según la presente invención. El sistema de ejemplo de la fig. 1 incluye una fuente 100 que genera una salida que se divide en un rayo de muestra y un rayo de referencia por medio de un acoplador 105. La luz del rayo de muestra se puede dirigir a una muestra de la que se va a formar una imagen 130. Se puede usar una lente de enfoque 125 para conseguir alta resolución transversal. La fibra propiamente dicha recoge las reflexiones procedentes de dicha muestra y a través de un segundo acoplador 115 las devuelven a un acoplador de salida 110. La luz del rayo de referencia se introduce en el otro puerto de dicho acoplador de salida 110. Un receptor 120 detecta la interferencia en función de la longitud de onda. En una realización de ejemplo de un sistema de OFDI según la presente invención, dicho receptor puede ser un único fotorreceptor que detecta la salida en función del tiempo mientras una fuente de banda estrecha barre su longitud de onda de salida en función del tiempo. En una realización de ejemplo de un sistema de SD-OCT según la presente invención, dicho receptor puede ser un espectrómetro, que registra la energía en muchas longitudes de onda mediante el uso de una rejilla en combinación con una cámara de barrido por líneas. Para una reflexión a profundidad z, en la que z=0 corresponde a un desajuste de longitud de trayectoria cero entre la luz del rayo de muestra y la luz del rayo de referencia, el período de interferencia de la salida del receptor en función del número de ondas k puede venir dado por:

1

en la que P(k) es la energía de fuente, R_{ref} es la transmisión de energía del rayo de referencia que incluye pérdidas de acoplamiento de la fuente al receptor, R_{s} es la reflectancia de energía del rayo de muestra debido a una reflexión a profundidad z y \varphi_{z} es la fase de la reflectancia del rayo de muestra.

La magnitud y frecuencia de la señal medida en función del número de ondas pueden dar la amplitud y profundidad. La transformada de Fourier (FT) de la franja detectada con la sustracción adecuada de los períodos no interferométricos, puede producir la reflectividad compleja en función de la profundidad a(z),

2

El signo de la posición de profundidad (signo de z) está codificado en el signo de la frecuencia resultante (frecuencia positiva o frecuencia negativa). Dado que S(k) tiene un valor real, sería difícil diferenciar entre frecuencias positivas y negativas. Por lo tanto, es probable que no se pueda distinguir una reflectancia en +z de una reflectancia en -z. Esto es lo que genera la degradación de profundidad de las técnicas de OCT de dominio Fourier. Una detección de salidas en cuadratura, por ejemplo, señales de interferencia en fases a 90º entre sí, puede eliminar dicha degradación de profundidad. Considerando la detección de los elementos en cuadratura S_{Q}(k) y S_{I}(k),

3

a partir de la que la señal compleja, \tilde{S}(k), se puede formar como

4

y la reflectividad de profundidad \tilde{a}(k) viene dada por la FT de esta señal compleja

5

Dado que \tilde{S}(k) es compleja, se puede diferenciar entre frecuencias positivas y negativas y, por consiguiente, eliminar la degradación entre profundidades positivas y negativas. En los sistemas de FD-OCT convencionales, la profundidad de imagen se limita a profundidades positivas para evitar la degradación/ambigüedad entre señales de profundidades positivas y negativas. El intervalo de formación de imágenes máximo en dichos sistemas convencionales está limitado por el estrechamiento de franja que es una disminución de la amplitud de señal para mayor profundidad. La profundidad de formación de imágenes en los sistemas de FD-OCT convencionales es, por lo tanto, entre z = 0 y z = +z1. Usando realizaciones de ejemplo de técnicas de desmodulación compleja según la presente invención, se puede reducir o eliminar la degradación de profundidad, lo que permite formar imágenes de -z1 a +z1 proporcionando, de ese modo, el doble del intervalo de profundidad de imagen de los sistemas de FD-OCT convencionales.

Realización de ejemplo de una disposición/circuito de desmodulación óptica

Según una realización de ejemplo de la presente invención se puede proporcionar una disposición/circuito de desmodulación óptica para generar las señales en cuadratura S_{Q}(k) y S_{I}(k) que se pueden usar para una desmodulación compleja. La fig. 2 muestra dicha realización de ejemplo que está dirigida a una disposición/circuito de desmodulación óptica. En esta disposición/circuito de ejemplo, mediante un sistema óptico de colimación 415 se colima una luz del rayo de referencia y se dirige a un primer puerto 420b de un divisor de haz polarizante ("PBS") 420. El controlador de polarización 401 permite que la luz del rayo de referencia se refleje en un puerto de salida 420c. Mediante un sistema óptico de colimación 410 se colima una luz del rayo de muestra 405 generada por esta disposición/circuito de ejemplo y se dirige a un segundo puerto de salida 420a del PBS 420. La luz polarizada S del rayo de muestra se puede dirigir al puerto de salida 420c. La luz del rayo de referencia y de muestra combinada se propaga a un divisor de haz (por ejemplo, no polarizante) 425, que puede repartir partes sustancialmente iguales de dicha luz a los puertos de salida 425a, 425b. La salida de luz del puerto 425a se desplaza a través de un primer elemento birrefringente 430 y, posteriormente, a un polarizador 435 orientado de tal manera que el estado de polarización transmitido es normal respecto al plano de la imagen. A continuación, una fibra de salida 460 recoge la luz por medio de un sistema óptico de enfoque 450. Posteriormente, un detector 461, que puede incluir un espectrómetro adaptado para un sistema de OCT de dominio espectral o un único receptor adaptado para un sistema de formación de imágenes de dominio de frecuencia óptica, detecta dicha luz recogida. Un análisis similar se puede aplicar a la luz que sale del puerto 425b y que tiene acceso a un elemento birrefringente (l) 440 antes de la eventual detección de la misma por medio del detector 466.

La señal de interferencia detectada en la salida 2 correspondiente a una reflectancia sencilla en posición z se puede dar como:

6

en la que B_{2}(k) y x_{2}(k) son funciones del elemento birrefringente 2 430. Asimismo, la salida 1 de la fibra 465 se puede dar como:

7

en la que B_{1}(k) y x_{1}(k) son funciones del elemento birrefringente (1) 440. Una selección adecuada de los elementos birrefringentes puede facilitar señales de salida con desplazamiento de fase relativo de 90º. Por ejemplo, si el elemento birrefringente (1) 440 se selecciona para que sea una placa de cuarto de onda orientada con su eje rápido o lento a 45º respecto al vector normal al plano de la imagen y el elemento birrefringente (2) 430 se selecciona para que sea un rotor de Faraday de 45º, la diferencia de fase entre las salidas x_{2}(k) - x_{1}(k), es de aproximadamente 90º y B_{1}(k) = B_{2}(k),
dando, de ese modo, lo siguiente:

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Los expertos en la materia deberían entender que se pueden usar combinaciones adicionales de los elementos birrefringentes (1) y (2) para generar señales en cuadratura y que las orientaciones del polarizador 445, 435 también se pueden ajustar para producir las señales en cuadratura. Dichas señales se pueden combinar después de la detección para producir la señal de interferencia compleja según la presente invención.

La fig. 3 muestra otra realización de ejemplo de la disposición/circuito de desmodulación óptica según la presente invención que está configurada para conseguir una detección de cuadratura con una detección compensada para una eliminación del ruido de intensidad de fuente, así como del ruido de autocorrelación de la muestra. El funcionamiento de la disposición de la fig. 3 es sustancialmente similar al de la fig. 2 salvo que los polarizadores de la fig. 4 se han sustituido por cubos de divisor de haz polarizante (PBS) 500, 530. Se pueden detectar ambos puertos de salida de los cubos de PBS 500 y, preferentemente, sus señales se sustraen en el receptor compensado. En esta configuración de ejemplo, se puede aumentar la señal de interferencia y se pueden sustraer las fluctuaciones de ruido del ruido. La salida de los receptores compensados 525, 555 de esta disposición de ejemplo proporcionan las señales de interferencia en cuadratura que se van a combinar para formar la señal de interferencia compleja.

La fig. 4 muestra otra realización de ejemplo de la disposición/circuito óptico según la presente invención que es una modificación de la disposición de la fig. 3. En particular, la disposición de la fig. 4 permite una detección de una diversidad de polarización. La diversidad de polarización permite una detección de la franja de interferencia que puede resultar de la muestra que son luz en ambas polarizaciones. El controlador de polarización 600 de la disposición de la fig. 4 se puede configurar para dirigir partes sustancialmente iguales de la energía del rayo de referencia a ambos puertos de salida del primer PBS 601. Cada puerto de salida del primer PBS 601 detecta la luz del rayo de muestra que llega en una polarización determinada. El circuito 590 es sustancialmente igual al que se muestra en la fig. 3 y se puede repetir en un cuarto puerto de salida del PBS 592. En esta configuración de ejemplo, las salidas A y B describen una polarización de señal y las salidas C y D describen la otra polarización de señal.

La fig. 5 muestra otra realización de ejemplo de la disposición/circuito de desmodulación óptica según la presente invención que puede ser funcionalmente equivalente o similar a la disposición/circuito de la fig. 4 y construido de componentes de fibra óptica. Por ejemplo, los elementos birrefringentes de la fig. 4 se pueden sustituir por controladores de polarización 610a, 615a, 610b, 615b que están ajustados de tal manera que se crean señales en cuadratura en puertos de salida 625a y 625b e igualmente se pueden generar salidas en cuadratura en puertos de salida 625c y
625d.

En las configuraciones de ejemplo que utilizan elementos birrefringentes de óptica volumétrica (como se muestra en las figs. 2 a 4), los elementos birrefringentes se pueden seleccionar para generar componentes en cuadratura que tienen un desplazamiento de fase de 90º. En la configuración de fibra óptica de la fig. 5, los controladores de polarización se pueden ajustar a la vez que se pueden supervisar las franjas de interferencia, de tal manera que se induce un desplazamiento de fase de 90º, aproximadamente. Las desviaciones del desplazamiento de fase de 90º se pueden medir y corregir, según se describe más adelante en este documento.

Calibración

Por ejemplo, las señales medidas no estarán exactamente en cuadratura y, por lo tanto, se debe usar un procedimiento de calibración para crear señales en cuadratura a partir de las señales medidas. Se da por supuesto que las señales medidas vienen dadas por

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en la que \diameter es la diferencia de fase interferométrica que contiene la información de profundidad. Los parámetros A_{Q}, B_{Q}, A_{I}, B_{I} y \zeta se pueden determinar por medio del espectro de fuente y del circuito de desmodulación. Si se conocen los parámetros, se pueden construir señales en cuadratura exacta como sigue:

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en la que, a efectos de claridad, la dependencia explícita de k de los parámetros no se describe en el presente documento. A_{Q} y A_{I} se pueden medir usando cualquiera de los siguientes procedimientos:

(a): Se bloquea la luz del rayo de muestra y se puede registrar la salida en función de k. Dado que la energía devuelta del rayo de muestra es muy inferior a la energía del rayo de referencia, A_{Q}(k) y A_{I}(k) se determinan por la energía del rayo de referencia detectada sin interferencias y/o

(b): Los parámetros A_{Q}(k) y A_{I}(k) se pueden medir registrando las señales con o sin reflexiones del rayo de muestra y tomando la media respecto a una cantidad considerable de mediciones. Dado que los períodos de interferencia dan una media de cero debido a la desviación del interferómetro, la media produce A_{Q}, A_{I}. Alternativamente, se puede colocar un modulador de fase en el interferómetro en el rayo de referencia o en el rayo de muestra. La fig. 6 ilustra dicha realización de ejemplo de la disposición/circuito que incluye un modulador de fase 700 que está colocado en el rayo de referencia. Dicho modulador de fase 700 se puede usar para asegurarse de que la fase del interferómetro se distribuye aleatoriamente durante el período de tiempo en que se está midiendo A. Si la modulación de fase es muy inferior a \pi durante el período de tiempo de una línea A, dicho modulador de fase 700 se puede mantener activo durante la formación de imágenes. De lo contrario, se debería apagar durante el procedimiento de formación de imágenes.

La relación de B_{Q}(k) a B_{I}(k) se puede medir registrando la salida con una reflexión del rayo de muestra, idealmente con el modulador de fase 700, de la fig. 6, encendido, por otra parte durante un tiempo lo suficientemente prolongado para asegurar las distribuciones aleatorias de fase. La relación se puede dar como sigue:

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en la que

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y el índice de suma i es sobre muestras en un número de ondas determinado k.

El parámetro \zeta se puede calcular como sigue:

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En la fig. 7 se muestra la realización de ejemplo de un procedimiento según la presente invención para llevar a cabo dicha determinación. En particular, en la etapa 655, los controladores de polarización ("PC") se pueden configurar para proporcionar una señal de salida en fase de 90 grados aproximadamente (si se utiliza la configuración de fibra de la fig. 5). En la etapa 660, se miden las señales S_{Q}(k) y S_{I}(k), a la vez que se modula la posición o fase del rayo de referencia. En la etapa 665, se calcula lo siguiente: A_{Q}(k) = <S_{Q}(k)> y A_{I}(k) = <S_{I}(k)> usando las fórmulas (2) y (3) anteriores. Estas etapas se llevan a cabo durante la calibración del sistema. Las etapas que se describen a continuación se llevan a cabo durante el uso del sistema. Por ejemplo, en la etapa 670, se miden las señales S_{Q}(k) y S_{I}(k) y en la etapa 675 se calculan las franjas usando la ecuación (1). A continuación, en la etapa 680, se construye una señal compleja S_{Q}' + sqrt(-1)*S_{I}'.

En la fig. 8 se muestra la realización de ejemplo del sistema según la presente invención (por ejemplo, del sistema de OFDI de ejemplo). Por ejemplo, para el sistema de ejemplo se puede proporcionar la salida del láser 700 barrida sobre 105 nm centrada en 1325 nm. Esta fuente de ejemplo se puede dividir en un rayo de muestra 705 (por ejemplo, 90%) y en un rayo de referencia 710 (por ejemplo, 10%). Una parte de la luz del rayo de referencia se puede dirigir a una rejilla Bragg de fibra ("FBG") 715, generando de ese modo un pulso óptico reflejado que se detecta y convierte en una señal de activación de TTL. El resto de la luz del rayo de referencia puede pasar por un retardo óptico variable (por ejemplo, usado para ajustar el interferómetro a longitud de trayectoria) y dispuesto en un puerto de un combinador de haz de polarización de fibra en espiral ("PBC") 720. El controlador de polarización 725 ("PC") del rayo de referencia 710 se puede usar para potenciar al máximo el acoplamiento de la luz del rayo de referencia al puerto de salida del PBC. La luz del rayo de muestra reflejada se dirige al otro puerto de entrada del PBC. Un estado de polarización de dicha luz se puede acoplar al puerto de salida del PBC. Detrás del PBC está el circuito de desmodulación óptica que usa una desviación por polarización para generar una señal en fase, S_{I}, y una señal en cuadratura, S_{Q}, para cada franja de interferencia.

De este modo, se puede construir la señal de interferencia compleja (S_{I} + iS_{Q}). Dado que la señal compleja indica la dirección de flujo de fase, permite una discriminación inequívoca entre retardos ópticos positivos y negativos y elimina la degradación de profundidad. En la fig. 8, para ilustrar el circuito de desmodulación, la luz del rayo de referencia y la luz del rayo de muestra se pueden polarizar ortogonalmente en el puerto de salida del primer PBC y por consiguiente se modula el estado de polarización de la luz en lugar de la intensidad. El acoplador 50/50 730 puede dividir la luz y cada salida se puede dirigir a un PC 735a, 735b y, posteriormente, a un divisor de haz de polarización (PBS) 740a, 740b que convierte la modulación de polarización en modulación de intensidad. Arbitrariamente, la señal de la trayectoria superior se define como S_{I} y la de la trayectoria inferior como S_{Q}. En cada trayectoria, los controladores de polarización 735a, 735b se fijan para dividir la luz del rayo de referencia por igual entre los dos puertos de salida de los PBSs 740a, 740b y las salidas se conectan a receptores compensados 745a, 745b para sustraer el ruido de intensidad. Dentro de la limitación de dividir por igual la energía del rayo de referencia entre los puertos de salida, la fase de S_{I} y de S_{Q} se puede fijar arbitrariamente manejando el correspondiente PC. En nuestro sistema, se inducirá un ajuste de fase relativa de 90º entre S_{I} y S_{Q}.

El uso de las señales medidas S_{I} y S_{Q} para formar directamente la señal de interferencia compleja (por ejemplo, sin correcciones postdetección) puede tener como resultado una extinción moderada entre profundidades positivas y negativas. La fig. 9A muestra un gráfico de una línea A medida con un espejo fijo a una profundidad de +1,7 mm calculada mediante el uso directo de las señales medidas S_{I} y S_{Q}. La extinción resultante que se muestra en dicho gráfico es de 30 dB. Para aumentar la extinción, se puede calcular una señal corregida, \tilde{S}_{Q}, de las señales medidas S_{I} y S_{Q} usando datos de calibración obtenidos previamente que describen el estado del circuito de desmodulación óptica. La señal en fase en un número de ondas determinado k puede venir dada por S_{I} = Bsin(\diameter) y la señal en cuadratura viene dada por S_{Q} = \alphaBcos(\diameter-\varepsilon), en la que \alpha y \varepsilon describen la desviación de S_{Q} de la señal en cuadratura real (\alpha = 1 y \varepsilon = 0 para una señal en cuadratura real). Se puede dar por supuesto que se ha sustraído el componente de CC. Una señal en cuadratura corregida \tilde{S}_{Q} respecto a la señal en fase medida S_{I} viene dada por

100

Se puede usar un procedimiento estadístico para medir los parámetros \alpha y \varepsilon (todas las funciones de número de onda k) para un ajuste determinado del circuito de desmodulación óptica. Se pueden registrar múltiples franjas de interferencia en presencia de una reflexión del rayo de muestra mientras la posición del rayo de referencia se desplaza lentamente unos cuantos micrómetros con un dispositivo de traslación piezoeléctrico. El conjunto de datos resultante puede contener señales S_{Q} y S_{I} en cada número de onda con una distribución de fase casi aleatoria (\diameter) (debido a la distorsión del rayo de referencia). Los parámetros de calibración se pueden calcular estadísticamente como sigue:

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en la que \sigma_{x} es la desviación estándar (sobre número de muestras) de la señal medida x y es una función del número de ondas. En estos experimentos, el espejo de referencia se trasladó unos cuantos micrómetros con una forma de onda triangular de 30 Hz y se registraron las señales durante un período de tiempo de 3 segundos a una velocidad de línea A de 15,6 kHz. La fig. 9B muestra la misma línea A que en la fig. 9A pero usando la señal compleja corregida (S_{I} + i\tilde{S}_{Q}). Se aumenta la extinción de 30 dB a más de 50 dB. Las figs. 9C y 9D muestran líneas A medidas a profundidades de espejo de +0,4 mm y -1,3 mm. En cada una de las figs. 9B a 9D se usaron los mismos parámetros de calibración obtenidos previamente \alpha y \varepsilon y se consiguió una extinción superior a 50 dB. Con la adecuada protección ambiental del circuito de desmodulación óptica, los coeficientes de calibración se mantuvieron válidos durante períodos de más de 60 minutos. Tras las mediciones la sensibilidad del sistema varió de 107 dB, próxima a una profundidad de +0,2 mm, a 103 dB, a una profundidad de +2,0 mm.

Para demostrar el muestreo con reloj modulado en frecuencia, un generador de reloj 750 (véase la fig. 8) usa un circuito oscilador de tensión controlada. La frecuencia del reloj de salida se controla a través de una entrada de tensión analógica y se puede barrer continuamente de fase con una forma de onda de entrada analógica que varía uniformemente. Esta forma de onda se genera por medio del sistema electrónico de obtención de datos (DAQ) 765 y se repite por cada barrido de la fuente. La forma de onda se acciona a partir de la misma señal de accionamiento usada para la obtención de datos y se sincroniza al barrido de fuente. La fig. 10A muestra la función de dispersión de punto axial medida de un espejo situado con un desplazamiento de, aproximadamente, -1,1 mm del punto de retardo diferencial cero usando tanto una señal de reloj de frecuencia constante como una señal de reloj modulado en frecuencia. La fig. 10B muestra la entrada de forma de onda analógica al circuito de reloj del VCO de la señal de reloj de frecuencia constante y modulado en frecuencia. Se usó una rutina sencilla iterativa para fijar la forma de onda analógica del VCO óptima para una configuración determinada de la fuente. Dicha forma de onda sigue siendo válida hasta que se reconfigura la fuente. Usando la señal de reloj modulado en frecuencia, la resolución axial medida fue de 13,5 a 14,5 \mum en el aire y se transforma de forma limitada en todo el intervalo de profundidad de formación de imágenes.

En la fig. 11, se muestran imágenes de un dedo humano in vivo obtenidas a una velocidad de línea A de 15,6 kHZ. El tamaño de la imagen es de 5 mm transversal por 4,3 mm de profundidad (500 x 408). La resolución de profundidad es de 14 \mum en el aire y la resolución transversal es de 25 \mum. La frecuencia de formación de imágenes es de 30 fps. En la fig. 11A, la imagen se genera sólo a partir de la señal en fase SI, lo que muestra el efecto de la degradación de profundidad. En la fig. 11B, se usa la señal compleja y se eliminan los artefactos de degradación de profundidad, lo que permite una formación de imágenes inequívoca sobre 4,3 mm.

Lo anterior ilustra simplemente los principios de la invención. En vista de las enseñanzas de este documento diversas modificaciones y alteraciones de las realizaciones que se han descrito resultarán evidentes para los expertos en la materia. De hecho, las disposiciones, los sistemas y los procedimientos según las realizaciones de ejemplo de la presente invención se pueden usar con cualquier sistema de OCT, sistema de OFDI, sistema de SD-OCT u otros sistemas de formación de imágenes y, por ejemplo, con los que se describen en la Solicitud de Patente Internacional PCT/US2004/029148, presentada el 8 de septiembre de 2004, en la Solicitud de Patente estadounidense Nº 11/266.779, presentada el 2 de noviembre de 2005 y en la Solicitud de Patente estadounidense Nº 10/501.276, presentada el 9 de julio de 2004.

Claims

1. Un aparato de tomografía de coherencia óptica que comprende:

al menos una primera disposición (100, 105, 115, 400, 405) configurada para proporcionar al menos una primera radiación electromagnética a una muestra biológica (130) y al menos una segunda radiación electromagnética a una referencia, en el que la al menos una primera disposición está configurada para hacer que al menos una de la primera y la segunda radiación electromagnética tenga un espectro que cambia con el tiempo y

al menos una segunda disposición (401, 415, 410, 420) y configurada para combinar un primer componente de polarización de al menos una tercera radiación proporcionada simultáneamente desde múltiples profundidades de la muestra biológica y asociada a la al menos una primera radiación con un segundo componente de polarización de al menos una cuarta radiación asociada a la al menos una segunda radiación, en el que el primer y el segundo componente de polarización están controlados específicamente para que sean, aproximadamente, ortogonales entre sí,

comprendiendo además al menos una tercera disposición (425, 430, 435, 440, 445, 450, 455, 460, 465) configurada para detectar al menos una señal derivada de una interferencia entre el primer y el segundo componente de polariza-
ción,

en el que la al menos una tercera disposición está configurada además para detectar al menos una señal adicional derivada de una interferencia adicional entre el primer y el segundo componente de polarización,

en el que fases de la interferencia y de la interferencia adicional, respectivamente, son sustancialmente diferentes entre sí.

2. El aparato según la reivindicación 1, en el que la tercera disposición está configurada además para modificar al menos una de la al menos una señal o la al menos una señal adicional en al menos una de una primera señal modificada o una segunda señal modificada, respectivamente, en función de datos predeterminados, en el que la al menos una señal y la al menos una señal adicional son señales de interferencia y en el que la tercera disposición está configurada además para fijar una diferencia de fase en un valor específico entre la al menos una señal y la al menos una señal adicional a partir de los datos predeterminados.

3. El aparato según la reivindicación 2, en el que los datos predeterminados se obtienen a partir de al menos una de una característica o un estado de la tercera disposición.

4. El aparato según la reivindicación 2, en el que la tercera disposición está configurada además para obtener una pluralidad de señales que son al menos una de la al menos una señal o la al menos una señal adicional, determinar características estadísticas de la pluralidad de señales y obtener los datos predeterminados a partir de las características estadísticas.

5. El aparato según la reivindicación 2, en el que una diferencia de una fase de la primera y de la segunda señal modificada se aproxima más a, aproximadamente, n\pi + \pi/2 que una diferencia entre una fase de la al menos una señal o de la al menos una primera señal, en la que n es un número entero y mayor o igual a 0.

6. El aparato según la reivindicación 1, en el que una diferencia de fases de la interferencia y de la interferencia adicional, respectivamente, es sustancialmente n\pi + \pi/2, en la que n es un número entero y mayor o igual a 0.

7. El aparato según la reivindicación 1, en el que la cuarta radiación y al menos una parte de la tercera radiación tienen al menos un retardo una respecto a otra y que comprende además al menos una cuarta disposición capaz de producir una imagen en función del retardo, de la señal y de la señal adicional.

8. El aparato según la reivindicación 7, en el que el al menos un retardo incluye al menos un componente positivo y al menos un componente negativo y en el que la al menos una cuarta disposición es capaz de distinguir entre al menos partes de la imagen que tienen componentes positivos y negativos.

9. El aparato según la reivindicación 8, en el que la al menos una cuarta disposición es capaz de medir el signo y la magnitud del al menos un retardo.

10. Un aparato según una de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende además:

al menos una disposición birrefringente que tiene una birrefringencia asociada a la misma y configurada para controlar, en función de la birrefringencia, una diferencia de fases de la primera y de la segunda interferencia para excluir n\pi, en la que n es un número entero y mayor o igual a 0.

11. El aparato según la reivindicación 10, en el que la al menos una disposición birrefringente incluye un controlador de polarización de fibra y/o una disposición birrefringente de óptica volumétrica.

12. Un procedimiento de tomografía de coherencia óptica que comprende:

proporcionar al menos una primera radiación electromagnética a una muestra biológica (130) y al menos una segunda radiación electromagnética a una referencia, en el que al menos una de la primera y la segunda radiación electromagnética tiene un espectro que cambia con el tiempo y

combinar un primer componente de polarización de al menos una tercera radiación proporcionada desde la muestra biológica y asociada a la al menos una primera radiación con un segundo componente de polarización de al menos una cuarta radiación asociada a la al menos una segunda radiación, en el que el primer y el segundo componente de polarización se controlan específicamente para que sean al menos aproximadamente ortogonales entre sí,

comprendiendo además detectar al menos una señal derivada de una interferencia entre el primer y el segundo componente de polarización,

en el que fases de la interferencia y de la interferencia adicional, respectivamente, son sustancialmente diferentes entre sí,

comprendiendo además detectar al menos una señal adicional derivada de una interferencia adicional entre el primer y el segundo componente de polarización.

13. El procedimiento según la reivindicación 12, que comprende además modificar al menos una de la al menos una señal o la al menos una señal adicional en al menos una de una primera señal modificada o una segunda señal modificada, respectivamente, en función de datos predeterminados, en el que la al menos una señal y la al menos una señal adicional son señales de interferencia y fijar una diferencia de fase en una valor específico entre la al menos una señal y la al menos una señal adicional a partir de los datos predeterminados.

14. El procedimiento según la reivindicación 12, que comprende además obtener una pluralidad de señales que son al menos una de la al menos una señal o la al menos una señal adicional, determinar características estadísticas de las pluralidad de señales y obtener los datos predeterminados a partir de las características estadísticas.

15. El procedimiento según la reivindicación 12, en el que una diferencia de una fase de la primera y de la segunda señal modificada se aproxima más a, aproximadamente, n\pi + \pi/2 que una diferencia entre una fase de la al menos una señal o de la al menos una primera señal, en la que n es un número entero y mayor o igual a 0.

16. El procedimiento según la reivindicación 12, en el que una diferencia de fases de la interferencia y de la interferencia adicional, respectivamente, es sustancialmente n\pi + \pi/2, en la que n es un número entero y mayor o igual a 0.

17. El procedimiento según la reivindicación 12, en el que la cuarta radiación y al menos una parte de la tercera radiación tienen al menos un retardo una respecto a otra y que comprende además producir una imagen en función del retardo, de la señal y de la señal adicional.

18. El procedimiento según la reivindicación 17, en el que el al menos un retardo incluye al menos un componente positivo y al menos un componente negativo y en el que la al menos una cuarta disposición es capaz de distinguir entre al menos partes de la imagen que tienen componentes positivos y negativos.

19. El procedimiento según la reivindicación 18, que comprende además medir el signo y la magnitud del al menos un retardo.

20. Un procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 19, que comprende:

con una disposición que tiene una birrefringencia asociada a la misma controlar específicamente, en función de la birrefringencia, un diferencia de fases de la primera y de la segunda interferencia para excluir n\pi, en la que n es un número entero y mayor o igual a 0.