Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut d'imagerie et optique appliquée IOA (Laboratoire d'optique biomédicale LOB)

Innovative experimental concepts for optical coherence tomography

Laubscher, Markus ; Lasser, Theo (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2954.

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    Summary
    Optical Coherence Tomography (OCT) is a recent biomedical imaging technique based on low-coherence interferometry that is capable of acquiring depth-resolved reflectivity maps of scattering tissues with high sensitivity. The conventionally employed imaging mode is to build up a cross sectional image by scanning the sample surface with a point illumination. In order to increase imaging speed, the concept of parallel detection has been introduced to OCT. Here, a whole sample line or even surface is imaged directly onto an array of photodetectors, making the lateral scanning motion obsolete. A customized detector array has been developed in our institute for parallel OCT imaging based on complimentary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. It associates a signal processing circuit to each photosensitive area of the array, capable of demodulating the interferometric signal on-chip. In this manner, only the signal envelop has to be read out, allowing for a high dynamic range and high frame rates. At the beginning of the thesis, this device had only been tested for topographic measurements on reflective surfaces. As a direct continuation of this previous work, the initial objective of this thesis has been to extend its application to parallel OCT in scattering samples and to identify other uses of this technology in the field of OCT. Accordingly, the first part of this work is dedicated to parallel detection in OCT, using this customized CMOS detector array. The feasibility of the approach is shown experimentally on scattering samples. Reflective surfaces covered with scattering solutions of varying concentration and onion samples are studied. Furthermore, the initial goal of fast OCT imaging is pursued by using the detector at its technological limits and realizing video-rate, three-dimensional OCT acquisitions of a dynamically changing sample. The thermal deformations induced by the probing beam on a dark strand of human hair are imaged at 25 volume acquisitions per second. Identified as a possible new application for the CMOS detector array, the concept of wavelength de-multiplexing for spectroscopic OCT is investigated in the second part of this thesis. Wavelength de-multiplexing is an experimental method for realizing spectroscopically resolved, time-domain OCT measurements. In contrast to the currently employed numerical post-processing methods for extracting spectroscopic information, wavelength de-multiplexing relies on optical wavelength separation in the interferometer detection arm and acquisition of independent wavelength channels using a detector array. The method itself is first studied using a laterally translated photodiode for detection, in order to compare it to the conventional spectroscopic OCT approach. The absorption characteristics of a glass filter and a Nd-doped crystal are measured in this manner. Then, associated to the CMOS detector array in a proof-of-principle experiment, the dynamically changing, spatially resolved absorption of a dye mixing process is measured online. The experimental setup used for wavelength de-multiplexing has lead to an innovative technique that is of interest to low coherence interferometry in general. The axial depth scan employed in all time-domain low coherence interferometry setups should ideally introduce a linear change with time of optical path difference between the interferometer's sample and reference arms. However, depending on the scan method used, the path difference variation is only approximatively linear and can even vary randomly from scan to scan. For precise, phase-sensitive and repetitive measurements the scans have to be calibrated. By increasing the coherence length of part of the detected radiation in the detection arm of the interferometer through narrow spectral filtering, a calibration signal is created that permits the precise measurement of the optical path difference variation and thus its calibration without the need for a secondary interferometer. The usefulness of the approach is demonstrated by combining it with a recently published spectral shaping technique for sidelobe suppression in OCT when using non-Gaussian source spectra. In order to be beneficial, such a technique requires highly repetitive measurements that can only be obtained with particularly stable scanning devices or well calibrated ones. In summary, this thesis studies three innovative experimental concepts that aim to improve OCT imaging speed and imaging quality and proposes them as interesting new tools to the OCT community.
    Résumé
    La Tomographie par Cohérence Optique (OCT) est une méthode d'imagerie biomédicale récente qui est basée sur l'interférométrie à basse cohérence. Elle permet de localiser et de mesurer les discontinuités de l'indice de réfraction à l'interieur de tissus diffusants. Le mode d'imagerie couramment employé consiste à construire une image tomographique en balayant la surface de l'échantillon avec une illumination ponctuelle. Afin d'augmenter la vitesse d'acquisition des images, la méthode de la détection parallèle a été introduite en OCT. Cette dernière permet de former l'image de toute une ligne ou même d'une surface de l'échantillon directement sur une matrice de photodétecteurs, ce qui rend le balayage latéral inutile. Un tel capteur spécialisé fut développé dans notre institut pour la détection parallèle en OCT, basé sur la technologie CMOS. Il associe un circuit électronique de traitement de signal à chaque photodiode de la matrice pour réaliser une démodulation du signal interféromètrique directement sur le capteur. De cette manière, seule l'enveloppe du signal est détectée, permettant d'obtenir une dynamique importante et une lecture d'images rapide. Au commencement du présent travail, ce capteur n'avait été testé que pour la mesure topographique de surfaces réflectives. Cette thèse, étant la continuation directe du travail antérieur, avait comme objectif initial d'étendre son champ d'application aux milieux diffusants et d'identifier d'autres utilisations possibles d'une telle technologie dans le domaine de l'OCT. Par conséquent, une première partie de cette recherche est consacrée à la détection parallèle en OCT avec ce capteur spécialisé CMOS. La faisabilité d'une telle approche est démontrée expérimentalement dans des milieux diffusants. Nous avons étudié des images de surfaces réflectives derrière des solutions diffusantes de différentes concentrations et des images d'oignons. De plus, le but initial d'imagerie OCT à haute vitesse a été poursuivi en utilisant le capteur à sa limite de performance pour réaliser des mesures tri-dimensionnelles d'un échantillon dynamique à vitesse vidéo. La déformation induite par le faisceau lumineux sur un cheveu humain a été imagée à 25 acquisitions de volume par seconde. La méthode du dé-multiplexage en longueur d'onde est identifiée comme une nouvelle application possible du capteur CMOSpour réaliser de l'OCT fonctionelle. Cette approche expérimentale qui permet de réaliser des mesures spectroscopiquement résolues en OCT est étudiée dans une deuxième partie de la thèse. Contrairement aux méthodes actuellement utilisées qui se basent sur un traitement numérique du signal OCT conventionnel après la mesure, le dé-multiplexage en longueur d'onde s'appuie sur la séparation expérimentale de la lumière en canaux spectraux indépendants dans le bras de détection de l'interféromètre ainsi que sur leur détection parallèle sur une matrice de photodétecteurs. Afin d'étudier la méthode elle-même ainsi que pour la comparer à l'approche conventionnelle, nous utilisons d'abord une simple photodiode qui est latéralement déplacée pour la mesure séquentielle des canaux spectraux à la place du detecteur parallèle. Les caractéristiques d'absorption d'un filtre en verre et d'un cristal dopé Nd sont obtenues de cette manière. Ensuite, l'utilisation du capteur CMOS permet de mesurer un phénomène dynamique d'absorption, le processus de mélange d'un colorant absorbant dans une solution transparente. Le dispositif expérimental utilisé pour le dé-multiplexage en longueur d'onde nous a amené à proposer une technique innovante - d'intérêt général pour l'interférométrie à basse cohérence. Le balayage axial employé dans tous les dispositifs d'interférométrie à basse cohérence dans le domaine temporel devrait idéalement introduire un changement linéaire de la différence de chemin optique entre les bras de référence et d'échantillon de l'interféromètre. Cependant, selon la méthode de balayage utilisée, la variation du chemin optique n'est qu'approximativement linéaire et peut même changer de façon aléatoire d'un balayage à l'autre. Afin de réaliser des mesures précises et reproductibles, le balayage doit être calibré en continu. Un signal de calibration de haute cohérence peut être généré par un filtrage spectral fin d'une partie de la lumière détectée dans le bras de détection de l'interféromètre. Il permet la mesure précise de la variation du chemin optique et donc sa calibration, sans avoir recours à un interféromètre secondaire. L'approche est démontrée en la combinant avec une technique récemment publiée qui permet d'atténuer le bruit cohérent généré par des sources lumineuses de spectre non-Gaussien en introduisant une correction numérique du spectre. Une telle méthode dépend fortement de la reproductibilité des mesures, ce qui requiert des moyens de balayage particulièrement stables ou bien calibrés. En resumé, cette thèse étudie trois approches experimentales innovantes qui cherchent à améliorer la vitesse et la qualité en imagerie OCT. Elle propose ces nouveaux outils à la communauté OCT.