Novel techniques for resolution improvement in optical coherence tomography

Abstract

H Οπτικά Σύμφωνη Τομογραφία (ΟΣΤ), είναι μια μέθοδος οπτικής απεικόνισης της εσωτερικής δομής των ιστών, και κερδίζει ολοένα και πιο σημαντικό έδαφος ως εργαλείο διάγνωσης σε διάφορους τομείς. Ωστόσο, οι αλλαγές που συμβαίνουν σε πρώιμα στάδια αρκετών ασθενειών παραμένουν κάτω από την ευκρίνεια (διακριτική ικανότητα) της μεθόδου αυτής. Η ευκρίνεια της μεθόδου ΟΣΤ περιορίζεται θεμελιωδώς από το φάσμα της πηγής λέιζερ και τα χαρακτηριστικά των οπτικών μέσων που χρησιμοποιούνται. Η χρήση αναβαθμισμένων μέσων προκαλεί οριακές (μικρές) βελτιώσεις στην ανάλυση αφού η φασματική αύξηση που απαιτείται για περαιτέρω βελτίωση της αξονικής ευκρίνειας δεν υποστηρίζεται ούτε από τα λέιζερ τελευταίας τεχνολογίας. Η εγκάρσια ευκρίνεια της μεθόδου ΟΣΤ μπορεί να βελτιωθεί με τη χρήση οπτικών φακών μεγάλου αριθμητικού ανοίγματος (ΑΑ). Ωστόσο, η χρήση οπτικών φακών με μεγάλο αριθμητικό άνοιγμα περιορίζει το βάθος της εστίασης. Αυτή η διδακτορική διατριβή προτείνει νέες μεθόδους για βελτίωση της αξονικής και εγκάρσιας ευκρίνειας των συστημάτων ΟΣΤ, που είναι ανεξάρτητες από τους παραπάνω περιορισμούς, παρέχοντας τη δυνατότητα απεικόνισης με κυτταρική και ενδοκυτταρική ευκρίνεια, χωρίς να αυξήσει το κόστος και την πολυπλοκότητα του συστήματος. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε για την βελτίωση της αξονικής ευκρίνειας, βασίζεται στην διαμόρφωση της αξονικής συνάρτησης μεταφοράς (ΣΜΣ) του συστήματος. Με αυτή τη μέθοδο η αξονική ευκρίνεια μπορεί να βελτιωθεί κατά επτά φορές. Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου σε συστήματα ΟΣΤ που λειτουργούν στο πεδίο του χρόνου διαφέρει σημαντικά από τα συστήματα ΟΣΤ που λειτουργούν στο πεδίο της συχνότητας. Για αυτό αναπτύχτηκαν δυο ξεχωριστές μεθοδολογίες-διατυπώσεις για την εφαρμογή της μεθόδου αυτής και στους δυο τύπους συστημάτων ΟΣΤ. Οι αρχές λειτουργίας και η πειραματική εφαρμογή και αξιολόγηση της μεθόδου και για τους δυο τύπους συστημάτων παρουσιάζεται σε αυτήν την διατριβή. Επίσης, αναπτύχθηκε μια μέθοδος για την βελτίωση της εγκάρσιας ευκρίνειας που βασίζεται στην υπερδειγματοληψία (oversampling) των εικόνων ΟΣΤ. Η επιπλέον πληροφορία που εμπεριέχεται στις υπερδειγματοληπτύμενες εικόνες ΟΣΤ χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση των θέσεων των πολλαπλών σκεδαστών, υποθέτοντας ότι κάθε σκεδαστής συμβάλλει ένα σταθμισμένο ποσοστό στο ανιχνευόμενο σήμα. Η μέθοδος αυτή εφαρμόστηκε σε εγκάρσιως υπερδειγματοληπτούμενες εικόνες ΟΣΤ και η βελτίωση της εγκάρσιας ευκρίνειας κατά έναν συντελεστή 3.7 παρουσιάζεται πειραματικά σε αυτήν την διατριβή. Το θεωρητικό και πειραματικό πλαίσιο που αναπτύχθηκε σε αυτή τη διδακτορική διατριβή μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ευκρίνεια των εικόνων ΟΣΤ επιτρέποντας την απεικόνιση διαγνωστικά κρίσιμων και ζωτικής σημασίας χαρακτηριστικών σε κυτταρικό επίπεδο. Τέτοιες τεχνολογικές βελτιώσεις μπορεί να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα της ΟΣΤ ως ένα εργαλείο για τη διάγνωση των πρώιμων σταδίων του καρκίνου και άλλων ασθενειών.

Optical Coherence Tomography (OCT), a method for cross sectional tissue imaging, is gaining significant ground as α diagnostic tool in various fields. However many early disease changes remain below the resolution of the technique. In OCT the resolution is fundamentally limited by the spectrum of the laser source and the optics used. Enhancements can only be marginal since the spectral increase required for further axial resolution improvement cannot be supported even by the highest end lasers. The lateral resolution of OCT can be improved by use of high numerical aperture (NA) objectives. However, use of a high NA objective restricts the depth of focus. In this dissertation we propose some novel methods for axial and lateral resolution improvement which are independent of the above limitations, providing the opportunity for cellular and subcellular resolution imaging, without increasing the cost and complexity of the system. A method for axial resolution improvement was developed, which was based on the modulation of the axial PSF of the system. With this method the axial resolution may be improved by a factor of 7. The application of this method in Time Domain OCT differs significantly from that in Frequency Domain OCT systems. However different formulations have been developed for both. Their mechanical basis and experimental validation are presented in this thesis. A method for lateral resolution improvement based on the oversampling of the OCT images was also developed. The information in the oversampled OCT images was used to estimate the locations of multiple scatterers, assuming each contributes a weighted portion to the detected signal. This method was applied to laterally oversampled OCT images, and a resolution improvement of a factor of 3.7 was experimentally demonstrated. The theoretical and experimental framework developed in this thesis can significantly improve the resolution of OCT images allowing imaging of diagnostically crucial cellular level characteristics. Such technological improvements can increase the effectiveness of OCT as a tool for diagnosis of very early cancer and other diseases.