Procedimiento para la iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica y sistema para su aplicación.

La invención se basa en la utilización de un sistema de barrido doble en el que se utilizan dos sistemas ópticos desacoplados de tal forma que uno conduce la luz que sirve para iluminar o excitar fluoróforos en el interior de la muestra mediante la generación de un conjunto de fuentes puntuales sobre la superficie y el otro contiene la luz emitida por el objeto -bien sea luz procedente de procesos de difusión o scattering o luz de fluorescencia- para otro conjunto de puntos que actúan como emisores también situados sobre la superficie. Ambos sistemas ópticos se ajustan de forma dinámica a la topografía de la interfase para mantener las condiciones de iluminación y registro para todos los puntos sobre la interfase. Para ello se utiliza bien una fuente puntual auxiliar, bien la propia fuente de iluminación/excitación junto con un fotodetector puntual auxiliar adicional o elanterior modificándose punto a punto los sistemas ópticos para maximizar la intensidad registrada

Procedimiento para la iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica y sistema para su aplicación.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de iluminación y adquisición de datos, especialmente concebido para tomografía óptica.

El objeto de la invención es proporcionar una implementación práctica mejorada y no invasiva de la técnica de tomografía óptica respecto a sistemas anteriores.

La invención se sitúa en el ámbito de las tecnologías de aplicación médica e investigación en biomedicina.

Antecedentes de la invención

Existen dos modalidades de tomografía óptica en medios altamente difusores (o de alto scattering): tomografía óptica de difusión y tomografía óptica de fluorescencia. La primera, se basa en la utilización de radiación correspondiente a las longitudes de onda ópticas para la localización tridimensional y la cuantificación de regiones de absorción o difusión en tejidos biológicos. La modalidad de tomografía óptica de fluorescencia, también utiliza luz pero, en este caso, con el fin de localizar tridimensionalmente y cuantificar distribuciones de moléculas fluorescentes (fluoroforos o fluorocromos) en tejidos biológicos.

Frente a otros sistemas de tomografía, la utilización de radiación electromagnética en las frecuencias ópticas no produce los efectos nocivos asociados al uso de radiación ionizante, tal como la empleada en otros sistemas de tomografía -por ejemplo, rayos X en CT- y se ha propuesto como técnica de detección precoz del cáncer de mama o de monitorización constante de la hemodinámica cerebral en recién nacidos.

La tomografía óptica de fluorescencia, además de la ventaja anterior, permite monitorizar tridimensionalmente numerosos procesos biológicos relacionados con la expresión génica, presencia y activación de moléculas o nanopartículas, seguimiento de fármacos, etc. incluso en animales de laboratorio "in vivo". Existe una investigación intensa en la mejora de las capacidades de marcadores fluorescentes para la reducción de su toxicidad, funcionalización, ampliación de variedad en frecuencias espectrales de excitación/emisión, transporte, etc. A corto plazo, es previsible la aparición de marcadores fluorescentes inocuos que permita usar esta técnica en diversas aplicaciones en humanos.

A pesar de las ventajas señaladas, la utilización de luz presenta también inconvenientes asociados a las características de la propagación de este tipo de radiación en los tejidos que hacen difícil la extracción de información sobre el medio. La propagación, a diferencia de lo que ocurre en medios transparentes como el aire o los líquidos, se caracteriza por la absorción y la existencia de numerosos procesos de difusión (o scattering) provocando que la trayectoria de los fotones cambie muchas veces de dirección de forma aleatoria hasta emerger de la muestra donde pueden ser detectados. En estos medios, la propagación de la luz se modela físicamente utilizando ecuaciones de difusión; al contrario que en medios transparentes donde se emplean modelos deterministas utilizando los principios de la óptica ondulatoria o geométrica.

Muy esquemáticamente, la implementación práctica de las técnicas de tomografía óptica conlleva la iluminación del tejido y el análisis de la luz difundida. Tanto la fuente de iluminación como el dispositivo de análisis de la luz deben ser, si el sistema es no invasivo, necesariamente externos, lo cual obliga a tener en cuenta que los objetos de interés (por ejemplo, una muestra biológica) están constituidos por medios, en general, altamente difusores (tejidos) rodeados de regiones no difusoras (el aire o fluidos), es decir, la existencia de dos regímenes de propagación en el problema. Sin entrar en detalles, este hecho requiere registrar e incluir la superficie de interfase en el modelo físico utilizado para la interpretación de los datos; modelo que justifica, a su vez, el método computacional de reconstrucción tomográfica.

El esquema del proceso de adquisición de datos consiste en iluminar un punto de la superficie de interfase, utilizando luz pulsada o continua, y medir la intensidad de la luz que emerge en otro punto con un fotodetector. Repitiendo esta operación para diferentes puntos, tanto de iluminación como de registro, se construye una matriz de datos que se utiliza en algoritmos matemáticos de reconstrucción tomográfica de las regiones de absorción, en el caso de tomografía óptica de difusión, o de distribución de emisores fluorescentes, en tomografía óptica de fluorescencia.

Tradicionalmente, el esquema de registro de datos anterior, y la solución del problema de cambio de régimen de propagación, se ha implementado utilizando fibras ópticas en contacto con la interfase por un extremo y acopladas alternadamente a emisores de luz o fotodetectores por el otro.

La utilización de fibras ópticas en contacto tiene varios inconvenientes. Por un lado, hay que acoplar y mantener estables, durante el procedimiento de medida, los extremos de las fibras ópticas sobre la superficie, por ejemplo, en contacto con la piel. También, la densidad de fibras que pueden empaquetarse para funcionar como emisores o detectores, impone un límite a la densidad de puntos de iluminación y registro comprometiendo la densidad de la matriz de datos y, como consecuencia, la resolución del sistema de tomografía. Finalmente, es necesario utilizar, previa o posteriormente a la colocación de las fibras, un método independiente para determinar la topografía de la superficie de contacto que puede incorporar errores si existen discrepancias entre esta medida y la situación de superficie cuando se obtuvieron los datos de intensidad.

Recientemente, presentados como un avance en tomografía óptica de fluorescencia, se han propuesto sistemas experimentales y métodos sin contacto, es decir, sin requerir acoplar fibras ópticas al tejido. En estos sistemas, se incluye, en el modelo físico, la propagación en aire de la luz emitida por un objeto y se utiliza una cámara de CCD en aire; sin embargo, continúa siendo necesario mantener en contacto las fuentes y determinar la topografía de la superficie con un sistema adicional de fotogrametría y establecer y registrar puntos de control para asegurar el ajuste.

Descripción de la invención

El sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica que la invención propone, resuelve, de forma plenamente satisfactoria, la problemática anteriormente expuesta en los distintos aspectos comentados. En particular: simplifica el procedimiento, no compromete la densidad de datos e integra el registro de la topografía de la superficie con el sistema de iluminación o registro.

Para ello, la invención se basa en la utilización de un sistema de barrido doble en el que se utilizan dos haces de luz desacoplados sustituyendo a las fibras ópticas antes mencionadas, de tal forma que, uno se emplea para iluminar la muestra en un conjunto de puntos sobre la superficie de interfase, por ejemplo, aire-tejido; y el otro está formado por la luz emitida desde otro conjunto de puntos situados también sobre la superficie. La luz contenida en este último haz para cada punto emisor se analiza con un fotodetector. Almacenándose en la memoria de un ordenador, estas medidas son utilizadas posteriormente para la reconstrucción tomográfica.

Para generar fuentes de luz sobre la superficie de interfase, homogéneas y puntuales (de pequeña extensión), el haz de iluminación debe focalizarse sobre diferentes puntos de la superficie.

Con el fin de que la señal del fotodetector se corresponda con la luz emitida desde un área puntual -de extensión correspondiente a la imagen que el sistema óptico de registro genera del área efectiva (o sensitiva) del fotodetector- sobre la superficie de interfase, se debe ajustar este sistema óptico para que el plano conjugado de imagen de la superficie sensitiva del fotodetector a través del sistema, coincida con la superficie de interfase en esa localización o, de forma equivalente, la superficie de interfase quede enfocada sobre el superficie sensitiva del fotodetector para cada punto.

El ajuste de foco, tanto en el haz de iluminación como en el haz correspondiente al sistema óptico de registro, dependerá de cómo se implemente el transporte o relay del campo electromagnético desde la fuente a la superficie y desde la superficie al detector. Puede realizarse, por ejemplo, mediante el desplazamiento de una lente sobre...

1. Procedimiento para la iluminación y adquisición de datos en tomografía óptica, caracterizado porque tiene la capacidad de iluminar la superficie de interfase, (I), que separa medios de diferentes características ópticas, (M1) y (M2), mediante conjugación óptica de una fuente de luz considerada puntual, alejada de la interfase e inmersa en el primer medio (S); y también porque se adquiere información del flujo de luz que atraviesa la interfase procedente del segundo medio, (M2), en dirección al primero, (M1), mediante un fotodetector considerado puntual, (FD), alejado de la interfase, inmerso en el primer medio, conjugado ópticamente con un área considerada puntual en la superficie de interfase; habiéndose previsto el ajuste automático y activo de los parámetros del sistema óptico necesarios para realizar la conjugación óptica de forma dinámica con diferentes puntos de la superficie de interfase, tanto del sistema óptico correspondiente a la de la fuente de iluminación, (SO1), como el sistema óptico correspondiente al fotodetector, (SO2); habiéndose previsto para el antecitado ajuste utilizar una fuente puntual auxiliar, (S'), adicional o no a la anterior, y un fotodetector puntual auxiliar, (FD'), adicional al anterior o no, llevándose a cabo un procedimiento de búsqueda mediante la variación de los parámetros de los sistemas ópticos de conjugación, (SO1) y (SO2), entre fuentes de iluminación, (S) y (S'), interfase, (I), y fotodetectores, (FD) y (FD'), con el objetivo de maximizar la intensidad detectada de la luz reflejada en la interfase (I); habiéndose previsto también, llevar a cabo el procedimiento anterior para dos conjuntos de puntos, siendo uno de ellos el que contiene los puntos de iluminación de la interfase y el otro puntos en la interfase de caracterización del flujo de luz a través de ésta; habiéndose previsto para ello el uso de un sistema doble de barrido, que funcione introduciendo, a la vez, cambios en los sistemas ópticos de iluminación, (SO1), y registro, (SO2), de forma independiente, y que actúe simultáneamente, de tal forma, que el primero permita generar fuentes puntuales en diferentes posiciones sobre la superficie de interfase (I) y conjugadas ópticamente con la fuente de luz externa puntual (S) y, opcionalmente, estática e inmersa en el primer medio y correspondientes al primer conjunto de puntos, y el segundo para obtener información de flujo, usando un detector puntual externo (FD), opcionalmente estático e inmerso en el primer medio, conjugado ópticamente con diferentes áreas consideradas puntuales coincidentes con la superficie de interfase correspondientes al segundo conjunto de puntos.

2. Sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación 1ª caracterizado porque, opcionalmente, se utiliza, en el sistema de iluminación dos fuentes puntuales con diferente extensión dedicándose una (S'') a la función de ajuste del sistema de conjugación óptica (SO1) y la otra (S) a la función de generación de una fuente de iluminación puntual sobre la interfase (I), o una única fuente puntual (S) capaz de cambiar su extensión dinámicamente de acuerdo con cada función.

3. Sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación 1ª caracterizado porque, opcionalmente, se utiliza, en el sistema de registro dos fotodetectores puntuales con diferente área sensitiva dedicándose uno (FD'') al ajuste del sistema de conjugación óptica (SO2) y otro (FD) al análisis de la luz transmitida a través de la interfase (I), o un único fotodetector puntual (FD) con capacidad de cambiar su área sensitiva dinámicamente de acuerdo con cada función.

4. Sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación 1ª, caracterizado porque, en el ajuste de los parámetros de conjugación óptica participan, como núcleo del sistema, una fuente de luz puntual en el punto (S1), en el plano (P1), una pareja de lentes (L2) y (L3), de manera que generen una fuente conjugada respecto a la anterior en el punto (S'1) en el plano (P2), disponiéndose entre dichas lentes, (L2) y (L3), de un divisor de haz (DH), que dirige la luz reflejada hacia una lente (L4), tras la que se sitúa un fotodetector (FD) puntual en el plano (P3), localizándose posterior a la lente (L4), obligando a que exista una posición de la lente (L3) o, en general, una fase introducida en la luz por este componente, que produzca la señal de valor máximo en el fotodetector (FD) asociada a la situación en la que la fuente en el punto (S'1) coincide con la superficie de interfase (I).

5. Sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación 1ª, caracterizado por incorporar en el sistema un mecanismo, (SC), dotado de medios capaces de introducir ángulos controlados en la luz de tal manera que pueda buscarse el valor de los parámetros necesarios para conjugar ópticamente diferentes puntos de la interfase con el fotodetector y la fuente en posiciones fijas en el espacio.

6. Sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación 1ª, caracterizado porque, en modo de reflexión, en el sistema óptico, o haz, de iluminación y en el sistema óptico, o haz, de registro, opcionalmente, se utilizan dos subsistemas ópticos genéricos e independientes, (SC1) y (SC2), para introducir ángulos en la luz para barrer diferentes puntos de la superficie de interfase y dos subsistemas ópticos genéricos e independientes de modificación de fase en cada uno de los haces que permitan ajustar la conjugación óptica de fuentes y detectores a la topografla de la superficie de interfase, previamente a la combinación de los haces de iluminación y registro mediante un divisor de haz (DH) o espejo dicroico (ED) en un único sistema óptico común, (L5), situado después -en el sentido del haz de iluminación- y previo a la interfase (I).

7. Sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica, según reivindicación 6ª, caracterizado porque, opcionalmente, en sustitución del divisor de haz (DH) o espejo dicroico (ED) próximo a la interfase frontal (I1), incorpora una lente (L6) próxima a la interfase posterior (I2) a la que está asociado un sistema óptico de similares características que el asociado a la lente (L5).

8. Sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación 1ª y siguientes, caracterizado porque los sistemas de barrido de iluminación y registro consisten en dispositivos que introducen ángulos en planos conjugados con el plano correspondiente a la pupila de entrada/salida del sistema óptico que finalmente focaliza la luz de iluminación y primero recoge la luz emitida por la superficie de interfase, y porque los ajustes de enfoques para distintos puntos de la superficie de interfase se realizan modificando los sistemas ópticos entre los planos donde se introducen los ángulos y la pupila de entrada/salida del sistema óptico que focaliza la luz de iluminación y primero recoge la luz emitida por la superficie de interfase.

9. Sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación 1ª y siguientes, caracterizado porque los sistemas de barrido consisten en espejos con capacidad de rotación cuyos ejes de rotación se sitúan en planos conjugados entre ellos y también con el plano correspondiente a la pupila de entrada o salida del sistema óptico que focaliza la luz de iluminación y recoge la luz emitida por la superficie de interfase.

10. Sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación 1ª y siguientes, caracterizado porque las fuentes puntuales y/o los fotodetectores puntuales consisten en fuentes y/o fotodetectores no puntuales modificadas en virtud del uso de lentes que enfocan la luz sobre pinholes.

11. Procedimiento para la iluminación y adquisición de datos en tomografía óptica, según el procedimiento de la reivindicación 1ª y siguientes, caracterizado porque se realiza un barrido preliminar de la superficie de interfase utilizando una fuente puntual y un fotodetector puntual y la información topográfica obtenida sobre la superficie a través de la búsqueda de la intensidad máxima en la luz reflejada se utiliza en una siguiente etapa para ajustar punto a punto el sistema de registro y, opcionalmente, si es puntual, el sistema de iluminación.