Flexibles Verfahren zur Formung von Laserstrahlen erweitert die Tiefenschärfe für die OCT-Bildgebung

Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um flexibel verschiedene nadelförmige Laserstrahlen zu erzeugen. Diese langen, schmalen Strahlen können verwendet werden, um die optische Kohärenztomographie (OCT) zu verbessern, ein nicht-invasives und vielseitiges Bildgebungswerkzeug, das für die wissenschaftliche Forschung und verschiedene Arten von klinischen Diagnosen verwendet wird.

„Nadelförmige Laserstrahlen können die Tiefenschärfe eines OCT-Systems effektiv erweitern und die laterale Auflösung, das Signal-Rausch-Verhältnis, den Kontrast und die Bildqualität über einen langen Tiefenbereich verbessern“, sagte Forschungsteamleiter Adam de la Zerda von der Medizinischen Fakultät der Stanford University. „Bisher war es jedoch schwierig, einen bestimmten nadelförmigen Strahl zu implementieren, da es keine gemeinsame, flexible Erzeugungsmethode gab.“

Im Optikbeschreiben die Forscher ihre neue Plattform zur Erzeugung nadelförmiger Balken mit unterschiedlichen Längen und Durchmessern. Es kann verwendet werden, um verschiedene Arten von Strahlen zu erzeugen, wie zum Beispiel einen mit einer extrem langen Schärfentiefe oder einen, der kleiner als die Beugungsgrenze des Lichts ist.

Die mit diesem Verfahren erzeugten nadelförmigen Strahlen könnten einer Vielzahl von OCT-Anwendungen zugute kommen. Beispielsweise könnte die Verwendung eines langen, schmalen Strahls eine hochauflösende OCT-Bildgebung der Netzhaut ohne dynamische Fokussierung ermöglichen, was den Prozess schneller und damit für Patienten angenehmer macht. Es könnte auch die Schärfentiefe für die OCT-Endoskopie erweitern, was die Diagnosegenauigkeit verbessern würde.

„Die schnelle hochauflösende Bildgebungsfähigkeit von nadelförmigen Strahlen kann auch nachteilige Auswirkungen beseitigen, die aufgrund menschlicher Bewegungen während der Bilderfassung auftreten“, sagte der Erstautor des Papiers, Jingjing Zhao. „Dies kann helfen, Melanome und andere Hautprobleme mit OCT zu lokalisieren.“

Eine flexible Lösung

Als nicht-invasives Bildgebungsinstrument zeichnet sich die OCT durch eine axiale Auflösung aus, die entlang ihrer Bildgebungstiefe konstant ist. Seine axiale Auflösung, die von der Lichtquelle bestimmt wird, hat jedoch eine sehr geringe Tiefenschärfe. Um dieses Problem anzugehen, werden OCT-Instrumente häufig so hergestellt, dass der Fokus entlang der Tiefe bewegt werden kann, um klare Bilder eines gesamten interessierenden Bereichs aufzunehmen. Diese dynamische Fokussierung kann jedoch die Bildgebung verlangsamen und funktioniert nicht gut für Anwendungen, bei denen die Probe nicht statisch ist.

OCT verwendet typischerweise eine Objektivlinse, die einen Brennpunkt mit einer einzigen, kurzen Tiefenschärfe erzeugt. Um die Schärfentiefe zu erhöhen, verwendeten die Forscher ein diffraktives optisches Element, das als Phasenmaske bekannt ist und Mikrostrukturen verwendet, um verschiedene Lichtmuster zu erzeugen, die zu zahlreichen Brennpunkten entlang der axialen Richtung führen. Sie entwarfen die Phasenmaske mit Gruppen von Pixeln, die zufällig verteilt und speziell gemustert wurden, um einen neuen Fokus zu erzeugen, der sich vom ursprünglichen unterscheidet. Die gesamte Phasenmaske kann dann verwendet werden, um in axialer Richtung dicht beabstandete Fokusse zu erzeugen, die einen nadelförmigen Strahl mit großer Tiefenschärfe bilden.

„Flexibilität ist der Hauptvorteil dieses neuen Ansatzes“, sagte Zhao. „Sowohl die Strahllänge als auch sein Durchmesser können flexibel und genau geändert werden, indem die Lage der Fokusse und die Phasendifferenz zwischen jeweils zwei benachbarten Fokussen modifiziert werden.“ Diese Flexibilität ist dank eines Rechenmodells möglich, das die Forscher entwickelt haben, um die Beziehung zwischen den Strahleigenschaften und den Designparametern der mehreren Brennpunkte auf präzise, ​​quantitative Weise aufzuzeigen. Sie entwickelten auch ein Hochleistungs-Fertigungsverfahren zur Herstellung diffraktiver optischer Elemente basierend auf den Berechnungen des Modells.

Auswahl des richtigen Balkens

Um ihr Modell zu testen, erstellten die Forscher Strahlformen, die für die Abbildung verschiedener Arten von Proben geeignet sind. Um beispielsweise einzelne Zellen innerhalb einer ganzen Schicht menschlicher Epidermis abzubilden, erzeugten sie einen nadelförmigen Strahl mit einem Durchmesser von weniger als 2 Mikrometern (zelluläre Auflösung) und einer Länge von mindestens 80 Mikrometern (Epidermisdicke). Sie waren auch in der Lage, hochauflösende dynamische Bilder eines schlagenden Herzens in einer lebenden Drosophila-Larve aufzunehmen, die ein wichtiger Modellorganismus für die Untersuchung von Herzerkrankungen ist. Dies erforderte einen Strahl mit einer Länge von 700 Mikrometern und einem Durchmesser von 8 Mikrometern, um die Organstruktur über einen großen Tiefenbereich sichtbar zu machen.

Die Forscher arbeiten nun daran, den Ansatz zu verbessern, indem sie das diffraktive optische Element und das Objektiv, die derzeit verwendet werden, um einen nadelförmigen Strahl zu erzeugen, durch eine einzelne flache Metalllinse basierend auf ihrem Modell ersetzen. Diese Metalens könnten beispielsweise auf dem Schädel einer Maus platziert werden, um die Neuronendynamik im Mausgehirn in Echtzeit zu beobachten.

Die neue Arbeit könnte auch Anwendungen finden, die über die Verbesserung von OCT hinausgehen. „Nadelförmige Strahlen können verwendet werden, um die Auflösung aller Mikroskopiesysteme zu verbessern, einschließlich der Partikelmanipulation mit optischen Pinzetten, der Materialbearbeitung, der konfokalen Mikroskopie, der Multiphotonenmikroskopie, der Fotolithografie und der fotoakustischen Tomografie“, sagte Zhao. „Unser Modell kann auch auf elektromagnetische Wellen für die Terahertz-Bildgebung und sogar auf die mechanischen Wellen angewendet werden, die in der Ultraschallbildgebung verwendet werden.“