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

Multiple scattering in wide-field optical coherence tomography

Karamata, Boris ; Lasser, Theo (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3001.

Add to personal list
    Summary
    Optical Coherence Tomography (OCT), a well-established imaging method based on low-coherence interferometry, provides cross-sectional images of the internal structure of biological samples with a resolution in the micrometer range. OCT was successfully applied on various tissues such as for instance the retina, the skin or a tooth. In highly scattering tissues like the skin, probing depth is limited to approximately 2mm, mainly due to insufficient rejection of multiply scattered light. Presently, the contribution of multiple scattering in OCT is not fully understood. Therefore, there is a strong and urgent need to develop models allowing a reliable evaluation of the system's limitations as well as the improvement of the imaging capabilities. It is generally believed that a relevant model should account for loss of correlation between the reference and the sample field due to multiple scattering. We developed a new comprehensive model of OCT. Our preliminary study revealed that the reference and sample fields are actually fully correlated. This important result allowed us to model the OCT signal as a sum of stationary random phasors and treated it as a statistical signal. The mean of this signal can be calculated thanks to classical results of statistical optics and to a Monte Carlo simulation. Unlike other existing models, our model accounts for the source autocorrelation function. The model proved to be in excellent agreement with a whole range of experimental data gathered in a comprehensive study of cross-talk in wide-field OCT. Moreover, our results put in question the applicability of widely used models of OCT based on the "extended Huygens-Fresnel principle", which assume a partial correlation between interfering fields due to multiple scattering. The construction of conventional OCT images is based on lateral scanning of a beam focused within the sample. To increase image acquisition speed and eliminate the need for lateral scanning, wide-field OCT was recently developed. Our experimental and theoretical investigations of the potential and limitations of wide-field OCT revealed the crucial role played by the spatial coherence of the light source. Spatially coherent illumination generates considerable coherent optical cross-talk, which prevents shot-noise-limited detection and diffraction-limited imaging in scattering samples. The dependence on several parameters of the optical system and of the sample properties was investigated in a comprehensive study. Cross-talk increases with the wide-field diameter, numerical aperture, source coherence length, and sample optical density; and strongly depends on sample anisotropy. We showed that spatially incoherent illumination realized with a thermal light source permits cross-talk suppression in wide-field OCT, i.e. rejection of multiply scattered light to a level comparable to that of point scanning OCT. We performed a theoretical study which revealed that the power per spatial mode radiated by thermal light sources is too low to permit a high signal-to-noise ratio while maintaining a fast acquisition speed. Therefore, wide-field OCT realized with either spatially coherent or spatially incoherent illumination suffers from inherent fundamental limitation. This led us to investigate the possibility of exploiting a spatially incoherent light source brighter than a thermal light source. We came to the conclusion that such a "pseudothermal" light source can potentially lead to wide-field OCT systems devoid of cross-talk and an image acquisition speed higher than that of a point scanning OCT system. However, the attractive properties of pseudothermal light sources could be gained at the expense of the simplicity and the economical advantages offered by thermal light sources. Furthermore, fast acquisition speed also relies on a performing "smart pixel detector array". Presently, such detectors do not have sufficient sensitivity and their frequency readout is too low as shown in our feasibility study. We performed a theoretical investigation of the potential of thermal light sources in terms of axial resolution and power per mode. The former revealed that the maximum power per mode is radiated at a wavelength higher than the spectral peak of a blackbody radiator. This led to the important practical conclusion that, at 6000 K, the maximum power is collected in the therapeutic spectral window in OCT (600 - 1300 nm), while at 3000 K this peak is shifted out of the therapeutic window leading to significant power losses. More generally, our work provides a design tool for choosing the optimal thermal light source for a given therapeutic window in terms of signal-to-noise ratio. Currently available sources at 6000 K consist of high pressure gas arc lamps providing a spectrum endowed with spectral lines deleterious for OCT. By suppressing a portion of the spectrum devoid of spectral lines of a mercury arc lamp, we obtained amongst the highest axial resolution so far reported in OCT. Furthermore, the importance of the speckle statistics in OCT incited us to clarify the origin of a difference between two theoretical results reported in the literature. Indeed, two calculations of the amplitude distribution of speckles in OCT, each of them based on a different mathematical formulation, yield different results. We showed that a modification of an initial assumption in one of the formulation leads to equivalent results. In conclusion, this thesis provides a deeper understanding of the potential and limitations of widefield OCT, leading to important design rules. Moreover, it presents a new comprehensive model of OCT putting in question other widely used models.
    Résumé
    La tomographie par cohérence optique, plus connue sous son acronyme anglais OCT, pour "Optical Coherence Tomography", est aujourd'hui une méthode d'imagerie reconnue. Reposant sur l'interférométrie en basse cohérence, elle permet d'obtenir des images en coupe de la structure interne d'échantillons biologiques avec une résolution micrométrique. L'OCT permet d'obtenir des images probantes de divers tissus tels que la rétine, la peau ou les dents. Dans les tissus fortement diffusants comme la peau, la profondeur observable demeure limitée à environ 2mm principalement à cause de l'élimination insuffisante de la lumière ayant subi de la diffusion multiple. Actuellement, la contribution de la lumière diffuse en OCT n'est pas encore parfaitement comprise. Par conséquent, le développement de modèles permettant une meilleure compréhension des limitations d'un système d'imagerie OCT ainsi l'amélioration de ses performances, revêt une importance grandissante. Il est généralement reconnu qu'un modèle pertinent devrait tenir compte de la perte de corrélation entre les champs provenant du bras de référence et l'échantillon, causée par la lumière ayant subi de la diffusion multiple. Nous avons développé un nouveau modèle complet de l'OCT. Notre étude préliminaire a révélé que les champs provenant de la référence et de l'échantillon sont en fait parfaitement corrélés. Ce résultat important nous a permis de modéliser un signal OCT comme somme de phaseurs aléatoires et de la traiter comme signal statistique. La moyenne d'un tel signal OCT peut être calculée en exploitant des résultats notoires de l'optique statistique et utilisant une simulation de Monte Carlo. Contrairement à d'autres modèles existants, notre modèle tient compte de la fonction d'autocorrélation de la source lumineuse. Le modèle s'est montré être en excellent accord avec un grand nombre de données expérimentales obtenues à partir d'une vaste étude sur la lumière cohérente parasite (cross-talk) en OCT à champ large. De plus, nos résultats remettent en question l'applicabilité de modèles très répandus de l'OCT basés sur ladite "extension du principe de Huygens-Fresnel", qui supposent une corrélation partielle entre les champs interférant à cause de la diffusion multiple. En OCT classique, l'image est obtenue par le biais du balayage latéral d'un faisceau focalisé dans l'échantillon. Afin d'augmenter la vitesse d'acquisition et de passer outre le balayage latéral, l'OCT à champ large a été développée récemment. Nous avons réalisé une étude expérimentale et théorique sur le potentiel et les limitations intrinsèques de l'OCT à champ large, laquelle nous a permis de démontrer le rôle crucial joué par la cohérence spatiale de la source. Une illumination spatiallement cohérente génère de la lumière cohérente parasite en quantité empêchant ainsi une détection de signaux limitée par le bruit quantique de même qu'une imagerie limitée par la diffraction. L'influence de plusieurs paramètres du système optique ainsi que de certaines propriétés de l'échantillon ont fait l'objet d'une étude complète. La lumière cohérente parasite augmente avec le diamètre du champ large, l'ouverture numérique, la longueur de cohérence de la source, et la diffusion de l'échantillon; et dépend fortement de l'anisotropie de l'échantillon. Nous avons démontré qu'en OCT à champ large, une illumination spatiallement incohérente obtenue à partir d'une source lumineuse thermique ramène le niveau de lumière cohérente parasite, c-à-d le niveau de la lumière ayant subi de la diffusion multiple, à celui atteint en OCT par balayage de faisceau. Par une étude théorique nous avons montré que la puissance émise par une source thermique est trop faible pour parvenir à un rapport signal/bruit élevé tout en maintenant une vitesse d'acquisition élevée. Par conséquent, l'OCT à champ large, réalisée soit en illumination cohérente, soit en illumination incohérente, souffre d'une limitation spécifique fondamentale. Ceci nous a amené à étudier la possibilité d'utiliser une source lumineuse spatiallement incohérente de brillance plus élevée qu'une source thermique. Nous en avons conclu qu'une telle source dite "pseudo-thermique" rend possible la conception de systèmes OCT en champ large exempts de lumière cohérente parasite, tout en permettant une vitesse d'acquisition plus élevée qu'en OCT à balayage de faisceau. Cependant, les propriétés séduisantes de telles sources ne peuvent être obtenues qu'au détriment de la simplicité et du bas coût offert par les sources lumineuses thermiques. Autre fait à considérer; la possibilité d'obtenir une vitesse d'acquisition d'image élevée nécessite une matrice de détecteurs "intelligents" très performants. Actuellement, de tels détecteurs ne sont pas assez sensibles et leurs cadences de lecture demeurent trop faibles comme démontré lors de notre étude de faisabilité. Nous avons réalisé une étude théorique sur le potentiel des sources lumineuses thermiques en terme de résolution axiale et de puissance par mode. Cette première a révélé que la puissance maximale par mode est émise à une longueur d'onde plus élevée que le pic de radiation spectrale d'un corps noir. Nous en tirons la conclusion importante du point de vue pratique, à savoir qu'à 6000 K, le maximum de puissance est collecté dans la " fenêtre spectrale thérapeutique" utilisée en OCT (600 - 1300 nm), alors qu'à 3000 K ce maximum est déplacé en dehors de la fenêtre thérapeutique causant d'importantes pertes de puissance. Les sources couramment disponibles à 6000 K consistent en des lampes à arc contenant du gaz sous haute pression qui fournissent un spectre avec des lignes spectrales néfastes pour l'OCT. Toutefois, en supprimant les bandes spectrales d'une lampe à arc à mercure, nous avons obtenu une résolution axiale en OCT parmi les plus élevées rapportées à ce jour. De plus, l'importance que revêt la statistique des speckles en OCT nous a incité à clarifier l'origine de la différence entre deux résultats théoriques publiés. En effet, deux calculs de la distribution de l'amplitude des speckles en OCT, chacun d'eux basé sur une formulation mathématique différente, mènent à des résultats différents. Nous avons montré qu'une modification d'une hypothèse de base dans l'une des formulations donne des résultats identiques dans les deux cas. Cette thèse permet une compréhension approfondie du potentiel et des limitations de l'OCT à champ large débouchant sur d'importantes règles de conception de tels systèmes. De plus, elle présente un nouveau modèle de l'OCT remettant en cause d'autres modèles largement répandus.