La tomografía de coherencia óptica (OCT) es una técnica de imagen basada en la luz que se utiliza actualmente en el diagnóstico clínico para examinar órganos in vivo. La técnica utiliza interferometría; en el que la luz reflejada de un objeto examinado se combina con la luz de referencia que no se encuentra con el objeto para generar patrones de interferencia que forman imágenes OCT 2-D y 3-D. Es posible utilizar longitudes de onda de luz más largas en la técnica de imagen para una penetración más profunda en materiales de dispersión de luz. Tales características ofrecen posibilidades para OCT en pruebas no destructivas (NDT) de muestras, e imágenes biomédicas no invasivas mejoradas. En un estudio reciente, Niels M. Israelsen y colaboradores de la Universidad Técnica de Dinamarca, junto con colaboradores en Austria y el Reino Unido, desarrolló un nuevo método para superar los desafíos técnicos de las imágenes de OCT.

En el estudio, obtuvieron imágenes usando luz infrarroja media para revelar estructuras microscópicas no visibles bajo la luz infrarroja cercana de longitud de onda más corta convencional. Para esto, El equipo combinó experimentalmente la luz supercontinua de banda ancha y la conversión ascendente de frecuencia para la adquisición de imágenes en tiempo real a alta resolución. Los resultados ahora se publican en Luz:ciencia y aplicaciones , con potencial para avances clínicos prometedores en la detección de defectos y mediciones de espesor in vivo. El potencial para mejorar la penetración de profundidad de OCT mediante el uso de longitudes de onda más largas se conoce desde sus inicios a principios de la década de 1990. El desarrollo de la OCT en el infrarrojo medio fue desafiado durante mucho tiempo por los componentes ópticos en esta región espectral, resultando en una adquisición lenta, baja sensibilidad y mala resolución axial.

Israelsen y col. demostró el primer sistema OCT de infrarrojo medio práctico en el presente estudio. Los investigadores utilizaron un sistema OCT de dominio espectral de infrarrojo medio que funcionaba a una longitud de onda central de 4 micrones (µm) para proporcionar una resolución axial de 8,6 µm. Las imágenes producidas por el sistema de infrarrojo medio se compararon con las obtenidas mediante un sistema OCT de infrarrojo cercano de ultra alta resolución de última generación que funciona a 1,3 µm. La configuración experimental tiene aplicaciones inmediatas en pruebas no destructivas en tiempo real de muestras que exhiben una fuerte dispersión en longitudes de onda más cortas.

Como técnica óptica, OCT es más adecuado para biofotónica e imágenes biomédicas clínicas, con destacadas aplicaciones en oftalmología. La técnica permite en tiempo real, Mediciones no invasivas y sin contacto para visualización de muestras en 3-D. La configuración ha avanzado rápidamente con fuentes de luz avanzadas, detectores y componentes en la región espectral visible e infrarroja cercana para obtener imágenes de alta velocidad y alta resolución in vivo. El sistema OCT es una tecnología lista para la industria que es robusta y fácil de implementar con baja potencia óptica. La principal limitación del sistema es la fuerte dispersión de luz en longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas que limitan la profundidad de penetración en medios turbios de unas pocas decenas a cientos de micrones. dependiendo de la muestra.

En este trabajo, Israelsen y col. proporcionó una configuración experimental del sistema OCT de infrarrojo medio, con cinco partes modulares:

1. Una fuente de supercontinuo (SC) de infrarrojos medio personalizada para iluminación, basado en un láser de bomba de amplificador de potencia de oscilador maestro (MOPA) y fibra de fluoruro de circonio monomodo.
2. Un desarrollado internamente, Sistema de conversión ascendente de frecuencia de banda ancha para detección.
3. Un interferómetro de Michelson de espacio libre
4. Una muestra de escaneo X, Y sistema de etapa de traducción, y
5. Un espectrómetro basado en semiconductores de óxido de metal complementario de silicio (CMOS).

Para facilitar el acoplamiento y la alineación entre los subsistemas, los científicos conectaron cada sistema con una fibra óptica. Luego enfocaron el haz generado sobre la muestra usando un fluoruro de bario (BaF ₂ ) lente, las imágenes se adquirieron moviendo la muestra en las etapas de traducción motorizada. Israelsen y col. recogió la muestra y las señales de referencia en una fibra de fluoruro de indio monomodo para luego transmitirlas al módulo de conversión ascendente para la conversión espectral al IR cercano. Después de eso, demostraron la superposición de los espectros SC antes (rojo) y después (azul oscuro) de la conversión ascendente, junto con un ejemplo del espectro de interferencia en azul claro.

Por diseño, el módulo de conversión ascendente podría convertir un ancho de banda amplio de más de 1 µm en la región del IR medio (3576-4625 nm) en una banda estrecha en el IR cercano (820-865 nm) sin sintonización paramétrica. La señal de frecuencia de suma de IR cercano generada no perdió ninguna información codificada en el modo espectral de la señal de IR medio. Dado que los detectores de infrarrojos medios de última generación sufrían de ruido de fondo térmico intrínseco en comparación con sus homólogos de infrarrojos cercanos, La tecnología de conversión ascendente de frecuencia no lineal de banda ancha permitió una detección más rápida y con poco ruido en el estudio.

Como prueba de principio del sistema de imágenes OCT desarrollado en el estudio, los científicos replicaron con éxito experimentos que fueron realizados previamente por Su et al. en cerámica industrial. El trabajo anterior había determinado que un sistema OCT de longitud de onda de 4 µm podía obtener imágenes a través de una placa de alúmina molida para revelar su estructura interna. Para probar esto, Israelsen y col. obtuvo muestras de cerámica similares del mismo proveedor; donde la pila de cerámica contenía tres capas de placas (C1-C3; circonio, 476 µm de alúmina de espesor y 300 µm de alúmina de espesor). La muestra se escaneó y se fotografió desde la placa de circonio superior hacia abajo, los resultados fueron consistentes con los hallazgos anteriores. Para respaldar aún más los hallazgos, los científicos realizaron una serie de simulaciones de Monte Carlo utilizando el software de código abierto MCX, para confirmar cualitativamente la visualización mejorada de interfaces en profundidad en las imágenes OCT de 4 µm.

Luego, los científicos mostraron una dispersión reducida para OCT de 4 µm en comparación con la configuración de OCT de 1,3 µm utilizando un material de cinta de alúmina. Los resultados indicaron que la distorsión de la imagen debido a la dispersión fue menos pronunciada en el sistema OCT de 4 µm. La función podría ser útil para caracterizar dispositivos basados ​​en silicio, incluidos los sistemas microelectromecánicos, células solares y guías de ondas.

Para obtener imágenes en 3D de más complejos, estructuras no uniformes, los científicos fotografiaron un Europay, Tarjeta MasterCard, Visa-chip (chip EMV) y una antena de comunicación de campo cercano incorporada en una tarjeta de crédito estándar. Las tarjetas de crédito se fabrican comúnmente a partir de varias capas de polímero laminado mezcladas con una variedad de tintes y aditivos. Usando la configuración OCT de 4 µm, los científicos identificaron tres capas de polímeros altamente dispersantes, que no pudo ser penetrado por el sistema OCT de 1,3 µm debido a sus altas propiedades de dispersión en la región del IR cercano.

En ciertas ocasiones, incluso detectaron la parte posterior de la tarjeta con un grosor de 0,76 mm. Israelsen y col. observó que debajo de la primera capa de polímero dispersante, una capa de encapsulación protegía el microprocesador de silicio integrado. También observaron los cables y circuitos unidos que conectaban el microprocesador a la almohadilla de contacto dorada subyacente.

El trabajo de investigación de Israelsen et al. indicó que el sistema OCT de 4 µm era superior al sistema OCT de 1,3 µm. Dado que las imágenes de OCT en longitudes de onda más largas aumentaron la absorción de agua en las muestras, esto naturalmente excluyó las muestras biológicas de la configuración. Sin embargo, el sistema estaba notablemente desprovisto de resonancias vibratorias (es decir, mostraba un bajo nivel de ruido y una dispersión reducida) y, por lo tanto, era ideal para pruebas no destructivas (NDT) de estructuras sólidas.

De este modo, Israelsen y col. demostrado rápido, tiempo real, Imágenes de OCT de dominio espectral en la región del IR medio. La resolución axial resultante de las muestras fotografiadas fue tan alta como 8,6 µm, junto con una resolución lateral de 15 µm para obtener detalles microscópicos de estructuras incrustadas en medios de alta dispersión. Los resultados fueron superiores en comparación con la configuración OCT de longitud de onda de 1,3 µm más convencional. Los científicos validaron meticulosamente los nuevos resultados replicando con éxito informes anteriores. El nuevo trabajo cierra una brecha al realizar la tecnología OCT de IR medio en tiempo real para aplicaciones prácticas como una herramienta lista para la industria para pruebas no destructivas.

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