Томографическое en-face изображение рассеивающих объектов с использованием полнопольной оптической когерентной микроскопии на основе однополосного светоизлучающего диода

Структурное и морфологическое отображение мягких рассеивающих объектов, таких как биологические ткани, является важной составляющей исследования для разработки средств диагностики. Оптические методы страдают от ограничений, вызванных рассеиванием и поглощением света у такого рода объектов; их применение для глубоких тканей затруднено. В данной работе мы использовали полнопольную оптическую когерентную микроскопию (ПП-ОКМ) с высокой разрешающей способностью, в которой однополосный светоизлучающий диод (470–850 нм) выступает в качестве источника излучения для визуализации рассеивающих биологических объектов. Система ПП-ОКМ основана на геометрии Линника и двухмерной комплементарно-заряженной камеры с оксидным полупроводником (КМОП). Последовательные двухмерные множественные пространственные интерферограммы со сдвинутой фазой получены путем передвижения предметного столика с использованием пьезоэлектрического преобразователя. Впоследствии en-face ПП-ОКМ-изображения были реконструированы с помощью метода быстрых производных. Пространственное разрешение данной системы составляло 0,9 (воздух) и 1,38 мкм аксиально и латерально соответственно. Система была использована для визуализации сильно рассеивающих образцов искусственной модели кожи, лука и рыбьей кожи.

Наши результаты демонстрируют возможность системы четко различать структурные особенности рыбьей кожи, о чем свидетельствуют профили распределения интенсивности глубины в разных положениях. Данная система обладает значительной стабильностью, она компактна и экономически эффективна по сравнению с традиционными ПП-ОКМ-системами и может применяться в дальнейшем для того, чтобы отличить здоровую ткань от больной.

1. Ntziachristos V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nat Methods 2010; 7(8): 603–614, https://doi.org/10.1038/nmeth.1483.
2. Badon A., Boccara A.C., Lerosey G., Fink M., Aubry A. Multiple scattering limit in optical microscopy. Opt Express 2017; 25(23): 28914–28934, https://doi.org/10.1364/oe.25.028914.
3. Gao W. Fourier spectrum analysis of full-field optical coherence tomography for tissue imaging. Proc R Soc A 2015; 471(2179): 20150099, https://doi.org/10.1098/rspa.2015.0099.
4. Optical coherence tomography. Technology and applications. Drexler W., Fujimoto J.G. (editors). Springer-Verlag Berlin Heidelberg; 2008, https://doi.org/10.1007/978-3-540-77550-8.
5. Adhi M., Duker J. S. Optical coherence tomography — current and future applications. Curr Opin Ophthalmol 2013; 24(3): 213–221, https://doi.org/10.1097/icu.0b013e32835f8bf8.
6. Dubois A., Vabre L., Boccara A.C., Beaurepaire E. High-resolution full-field optical coherence tomography with a Linnik microscope. Appl Opt 2002; 41(4): 805–812, https://doi.org/10.1364/ao.41.000805.
7. Egan P., Lakestani F., Whelan M.P., Connelly M.J. Full-field optical coherence tomography with a complimentary metal-oxide semiconductor digital signal processor camera. Optical Engineering 2006; 45(1): 015601, https://doi.org/10.1117/1.2158968.
8. Anna T., Srivastava V., Mehta D.S., Shakher C. High-resolution full-field optical coherence microscopy using a Mirau interferometer for the quantitative imaging of biological cells. Appl Opt 2011; 50(34): 6343–6351, https://doi.org/10.1364/ao.50.006343.
9. Srivastava V., Nandy S., Mehta D.S. High-resolution corneal topography and tomography of fish eye using wide-field white light interference microscopy. Appl Phys Lett 2013; 102(15): 153701–153703, https://doi.org/10.1063/1.4802084.
10. Zhu Y., Gao W., Zhou Y., Guo Y., Guo F., He Y. Rapid and high-resolution imaging of human liver specimens by full-field optical coherence tomography. J Biomed Opt 2015; 20(11): 116010, https://doi.org/10.1117/1.jbo.20.11.116010.
11. Dubois A., Grieve K., Moneron G., Lecaque R., Vabre L., Boccara C. Ultrahigh-resolution full-field optical coherence tomography. Appl Opt 2004; 43(14): 2874–2883, https://doi.org/10.1364/ao.43.002874.
12. Safrani A., Abdulhalim I. Ultrahigh-resolution full-field optical coherence tomography using spatial coherence gating and quasi-monochromatic illumination. Opt Lett 2012; 37(4): 458–460, https://doi.org/10.1364/ol.37.000458.
13. Federici A., Dubois A. Full-field optical coherence microscopy with optimized ultrahigh spatial resolution. Opt Lett 2015: 40(22): 5347–5350, https://doi.org/10.1364/ol.40.005347.
14. Dilhaire S., Grauby S., Jorez S., Lopez L.D., Rampnoux J.M., Claeys W. Surface displacement imaging by interferometry with a light emitting diode. Appl Opt 2002; 41(24): 4996–5001.
15. Warnasooriya N., Kim M.K. LED-based multiwavelength phase imaging interference microscopy. Opt Express 2007; 15(15): 9239–9247, https://doi.org/10.1364/oe.15.009239.
16. Guo R., Yao B., Min J., Zhou M., Yu X., Lei M., Yan S., Yang Y., Dan D. LED-based digital holographic microscopy with slightly off-axis interferometry. J Opt 2014; 16(12): 125408, https://doi.org/10.1088/2040-8978/16/12/125408.
17. Shavrin I., Lipiäinen L., Kokkonen K., Novotny S., Kaivola M., Ludvigsen H. Stroboscopic white-light interferometry of vibrating microstructures. Opt Express 2013; 21(14): 16901–16907, https://doi.org/10.1364/oe.21.016901.
18. Chong W.K., Li X., Soh Y. C. Harnessing spectral property of dual wavelength white LED to improve vertical scanning interferometry. Appl Opt 2013; 52(19): 4652–4662, https://doi.org/10.1364/ao.52.004652.
19. Li C., Zeitler J.A., Dong Y., Shen Y.-C. Non-destructive evaluation of polymer coating structures on pharmaceutical pellets using full-field optical coherence tomography. J Pharm Sci 2014; 103(1): 161–166, https://doi.org/10.1002/jps.23764.
20. Yang B.W., Chen X.C. Full-color skin imaging using RGB LED and floating lens in optical coherence tomography. Biomed Opt Express 2010, 1(5): 1341–1346, https://doi.org/10.1364/boe.1.001341.
21. Cheng H.C., Sun C.K. WLED-based low coherence interferometry in the visible wavelength range. J Med Biol Eng 2007; 27: 173–176.
22. Anna T., Chang T.-W., Lai C.-M., Chiou A., Kuo W.-C. A feasibility study of broadband white light emitting diode (WLED) based full-field optical coherence microscopy (FF-OCM) using derivative-based algorithm. IEEE Photonics J 2017; 9(2): 3900513, https://doi.org/10.1109/jphot.2017.2686978.
23. Chang S., Cai X., Fluerau C. An efficient algorithm used for full-field optical coherence tomography. Opt Lasers Eng 2007; 45(12): 1170–1176, https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2007.06.008.
24. Anna T., Lai C.-M., Chiou A., Kuo W.-C. En-face sectional imaging using single-shot full-field optical coherence tomography (SS-FF-OCT) based on white light emitting diode (WLED). Proc. SPIE 10024, Optics in Health Care and Biomedical Optics VII 2016, 100243T, https://doi.org/10.1117/12.2246197.

Anna T., Chakraborty S., Karmenyan A., Chiou A., Kuo W.-C. En-face Tomographic Imaging of Scattering Objects Using Single Broadband Light Emitting Diode Based Full-Field Optical Coherence Microscopy. Sovremennye tehnologii v medicine 2018; 10(1): 27, https://doi.org/10.17691/stm2018.10.1.03