Esquema de un sistema SD OCT acoplado a fibra con una fuente de supercontinuo generado por la guía de ondas Si3N4. Avances científicos, doi:10.1126 / sciadv.abg8869
En óptica, cuando una colección de procesos no lineales actúan juntos en una viga de bomba, el ensanchamiento espectral resultante del haz de bombeo original da lugar a un supercontinuo. Las fuentes de supercontinuo para tomografía de coherencia óptica son de gran interés ya que proporcionan un ancho de banda amplio para una sensibilidad de imagen de alta resolución y alta potencia. Para sistemas comerciales de supercontinuo a base de fibra, los investigadores utilizan altas potencias de bombeo para generar un ancho de banda amplio y filtros ópticos personalizados para modular los espectros. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Xingchen Ji y un equipo de investigación en ingeniería eléctrica, ingeniería biomédica y física aplicada en la Universidad de Columbia, Nueva York, NOSOTROS., introdujo una plataforma supercontinuum basada en un 1 mm 2 Chip fotónico de nitruro de silicio para tomografía de coherencia óptica (OCT). Los investigadores bombearon directamente y generaron de manera eficiente un supercontinuo cerca de 1300 nm y utilizaron la configuración para obtener imágenes de tejidos biológicos y mostrar el sólido rendimiento de imágenes del dispositivo. El nuevo chip facilitará los OCT portátiles y la fotónica integrada durante los estudios de imágenes ópticas.
Sistemas de imágenes médicas
La tomografía de coherencia óptica (OCT) es un Modalidad de imagen óptica tridimensional de alta resolución. La plataforma de imágenes OCT es un estándar de atención en medicina, incluida la oftalmología, dermatología, gastroenterología y diagnóstico por imágenes de cáncer de mama. Mientras que las fuentes de luz supercontinua para OCT ofrecen un ancho de banda amplio, requieren una fuente de energía muy alta para lograr un ancho de banda amplio y un rendimiento sólido en relación con el rango de sensibilidad requerido. Las fuentes comerciales de supercontinuo también son voluminosas y han demostrado una baja eficiencia de generación de supercontinuo. Para superar estos límites, Ji y col. desarrolló una fuente de luz supercontinua para imágenes de OCT en un nitruro de silicio compacto (Si 3 norte 4 ) chip fotónico. El nitruro de silicio tiene un alto índice de refracción, un parámetro no lineal alto, una amplia ventana de transparencia y compatibilidad con la fabricación de semiconductores a gran escala. Como resultado del alto confinamiento óptico y la no linealidad intrínseca en el nitruro de silicio, la guía de ondas mostró un parámetro de no linealidad aproximadamente 100 veces mayor que el de las fibras altamente no lineales utilizadas en los sistemas comerciales de supercontinuo. Las guías de ondas desarrolladas en la obra ocuparon un área de 1 mm 2 . Debido a las características espectrales de salida para la formación de imágenes, el equipo no requirió un filtrado óptico adicional para dar forma al espectro.
El equipo de investigación integró el chip de nitruro de silicio en un sistema OCT de dominio espectral acoplado a fibra centrado en 1300 nm. Ji y col. envió la luz de salida del chip de nitruro de silicio directamente al interferómetro OCT a través de un circulador y midió el rendimiento del sistema de nitruro de silicio-OCT para registrar una sensibilidad de 105 dB a una potencia de 300 µW. Relativamente, un supercontinuo comercial mostró 95 dB con 4 mW de potencia. La sensibilidad medida en la configuración estuvo cerca de la predicción teórica limitada del ruido de disparo. Utilizando el sistema OCT de chip de nitruro de silicio, Ji y col. resolvió diversos tejidos biológicos microscópicos de tejido mamario humano sano. Para lograr esto, el equipo recibió muestras de tejido de pacientes sometidas a procedimientos de mastectomía en el Centro Médico Irving de la Universidad de Columbia. Fijaron la muestra en formalina y tomaron imágenes ex vivo, 24 horas después de la escisión quirúrgica. La exploración volumétrica tridimensional (3D) resultante de tejido mamario sano demostró importantes características estructurales microscópicas, incluidos los conductos de leche, lóbulos tejido adiposo y conectivo. Los investigadores procesaron las imágenes OCT a partir de los datos sin procesar mediante la resta de fondo y la compensación de la dispersión digital.
Espectro supercontinuo medido generado utilizando la guía de ondas Si3N4. El espectro tiene un ancho de banda de 30 dB de 445 nm que cubre de 990 a 1435 nm y un ancho de banda plano de 3 dB que abarca de 1264 a 1369 nm con una energía de pulso de bomba de entrada de 25 pJ. Avances científicos, doi:10.1126 / sciadv.abg8869
Materiales para la generación de supercontinuo
Los científicos pueden generar espectros de supercontinuo utilizando guías de ondas integradas de diferentes plataformas de materiales. El nitruro de silicio tiene la ventaja de ser compatible con el proceso de semiconductor de óxido de metal complementario, para fabricación a gran escala a bajo coste. El material combinó los beneficios de la pérdida ultrabaja, un contraste de alto índice entre la guía de ondas y el índice de revestimiento, junto con una amplia ventana de transparencia para cubrir las ventanas de longitud de onda de las imágenes OCT para diversas aplicaciones. Todas estas características hicieron del nitruro de silicio un buen candidato para aplicaciones de imágenes OCT. Ji y col. también mostró experimentalmente cómo el dispositivo fotónico integrado de nitruro de silicio formó una plataforma prometedora para la obtención de imágenes de OCT y anticipó el desarrollo de plataformas fotónicas adicionales integradas para la obtención de imágenes biomédicas.
Simulaciones e imagen microscópica de dispositivos fabricados. (A) Simulación de modo de una guía de ondas de 730 nm de alto y 840 nm de ancho que muestra que el modo eléctrico transversal fundamental (TE) está muy confinado en la geometría que hemos elegido. (B) Dispersión de velocidad de grupo simulada (GVD) de nuestra guía de ondas que proporciona una GVD cercana a cero cerca de 1300 nm, lo que nos permite bombear directamente y generar de manera eficiente supercontinuo de banda ancha en esta longitud de onda sin ningún posfiltrado. (C) Imagen de microscopio óptico de vista superior de múltiples guías de ondas de alto confinamiento de 5 cm de largo fabricadas en el mismo chip. El zoom muestra que la guía de ondas fabricada solo ocupa un área de 1 × 1 mm2. Crédito de la foto:Xingchen Ji, Universidad de Colombia. Avances científicos, doi:10.1126 / sciadv.abg8869
Escaneo 3D volumétrico del parénquima mamario sano adquirido con una fuente de luz de chip Si3N4. Debajo, OCT B-scan representativos del volumen 3D con la correspondiente histología de hematoxilina y eosina. Las estructuras de parénquima visualizadas incluían conductos, quistes lóbulos adiposo, y estroma. Barras de escala, 500 μm. Avances científicos, doi:10.1126 / sciadv.abg8869
panorama
De este modo, Xingchen Ji y sus colegas desarrollaron una fuente de luz supercontinua para imágenes de tomografía de coherencia óptica (OCT) en un chip fotónico compacto de nitruro de silicio bombeado directamente a 1300 nm, sin ningún filtrado óptico para dar forma al espectro. La plataforma logró una alta sensibilidad a baja potencia óptica en la muestra. A diferencia de, con una fuente de supercontinuo comercial de última generación, los investigadores suelen requerir 100 veces más potencia óptica para lograr una sensibilidad comparativamente similar. La longitud de onda central de 1300 nm utilizada en este estudio es muy adecuada para aplicaciones de imágenes de muestras de tejido que requieren profundidades de penetración más profundas, incluido el tejido mamario humano, tejido cardiovascular y en investigación dermatológica. El equipo ajustó la ingeniería de dispersión con fotónica integrada para generar otros rangos espectrales en las escalas de 1 µm u 800 nm. Funcionalizaron la fuente de luz supercontinua en miniatura desarrollada en este trabajo con un láser de bomba de femtosegundos fuera del chip, mientras que también se están realizando esfuerzos para miniaturizar los láseres de modo bloqueado. Los esfuerzos combinados de miniaturizar y empaquetar diversos bloques de construcción de OCT utilizando fotónica de silicio junto con el desarrollo de sondas de imágenes pueden facilitar la realización de un alto rendimiento, Sistema OCT de bajo costo y completamente miniaturizado.
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