Sistemas y método para interferometría endoscópica de baja coherencia resuelta en ángulo.

Un aparato para obtener espectros resueltos en profundidad de una muestra (18") en vivo a fin de determinar las características estructurales de diseminadores dentro de la muestra,

que comprende: un divisor (80) de fibra y una fibra óptica (10");

una fuente de luz polarizada configurada para entregar luz polarizada a través de la fibra óptica al divisor de fibra a fin de dividir la luz en un haz de muestra y un haz de referencia;

una primera trayectoria óptica del haz de muestra compuesta de una fibra (16") de entrega que consiste en una fibra monomodo con control de polarización integrado en la punta o una fibra mantenedora de polarización, una segunda trayectoria óptica del haz de muestra, que es una mazo (116) de fibras compuesto de una pluralidad de fibras ópticas que tienen longitudes de trayectoria sustancialmente coincidentes y que tienen un extremo distal y un extremo proximal; en donde la fibra de entrega está fijada al extremo distal, y dispuesta adyacente a la periferia, del mazo de fibras para formar una sonda (113) de muestra;

una primer lente (L1), una segunda lente (L2), una tercera lente (L3) y una cuarta lente (L4);

en donde el haz de muestra es dirigido hacia la muestra a través de la primera trayectoria óptica de tal manera que el haz de muestra se desplace desde la fibra de entrega a través de la primera lente (L1), que está posicionada a una distancia focal de separación de la cara de la sonda de muestra y centrada sobre el mazo de fibras y tiene su eje óptico desplazado lateralmente respecto de la cara extrema de la fibra de entrega para proporcionar una haz colimado incidente sobre la muestra bajo un ángulo oblicuo con respecto al eje óptico del mazo de fibras;

en donde el mazo de fibras está adaptado para recibir un haz de muestra diseminado desde la muestra que está situada en el otro foco de la primera lente, de tal manera que la pluralidad de fibras ópticas reciban una distribución de diseminación angular del haz de muestra diseminado mediante una propiedad de trasformada de Fourier de la primera lente y el extremo proximal de la segunda trayectoria óptica esté posicionado para entregar el haz de muestra diseminado a la segunda lente y a la tercera lente;

una tercera trayectoria óptica compuesta de una figura óptica (14") adaptada para transportar el haz de referencia desde el divisor de fibra y que termina en una cuarta lente adaptada para producir una iluminación uniforme para su recepción por el detector, y en donde la trayectoria óptica del haz de referencia está emparejada con el modo fundamental de la trayectoria óptica de las trayectorias ópticas primera y segunda combinadas del haz de muestra;

un divisor de haz adaptado para recibir el haz de referencia y el haz de muestra de la segunda trayectoria óptica para correlacionar en cruz el haz de muestra de la segunda trayectoria óptica y el haz de referencia con el fin de producir una señal resuelta en ángulo y correlacionada en cruz; un espectrógrafo de formación de imágenes adaptado para dispersar espectralmente la señal resuelta en ángulo y correlacionada en cruz para producir un perfil resuelto en ángulo y espectralmente resuelto en cada uno de la multitud de ángulos en paralelo al mismo tiempo; y

un procesador adaptado para recibir el perfil resuelto en ángulo y espectralmente resuelto y transformar según Fourier el perfil para producir un perfil resuelto en ángulo y resuelto en profundidad que es analizado con el fin de determinar las características estructurales.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2006/039771.

Solicitante: DUKE UNIVERSITY.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 2020 WEST MAIN STREET, P.O. BOX 90083 DURHAM, NC 27705 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: WAX,ADAM, PYHTILA,JOHN W.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01J3/44 FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01J MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO, DE LA POLARIZACION, DE LA FASE O DE CARACTERISTICAS DE IMPULSOS DE LA LUZ INFRARROJA, VISIBLE O ULTRAVIOLETA; COLORIMETRIA; PIROMETRIA DE RADIACIONES.G01J 3/00 Espectrometría; Espectrofotometría; Monocromadores; Medida del color. › Espectrometría Raman; Espectrometría por difusión.
  • G01J3/453 G01J 3/00 […] › por correlación de amplitudes.
  • G01N15/02 G01 […] › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 15/00 Investigación de características de partículas; Investigación de la permeabilidad, del volumen de los poros o del área superficial efectiva de los materiales porosos (identificación de microorganismos C12Q). › Investigación de la dimensión o de la distribución de dimensiones de partículas (G01N 15/04, G01N 15/10 tienen prioridad; por medida de la presión osmótica G01N 7/10).
  • G01N21/47 G01N […] › G01N 21/00 Investigación o análisis de los materiales por la utilización de medios ópticos, es decir, utilizando rayos infrarrojos, visibles o ultravioletas (G01N 3/00 - G01N 19/00 tienen prioridad). › Dispersión, es decir, reflexión difusa (G01N 21/25, G01N 21/41 tienen prioridad).

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Sistemas y método para interferometría endoscópica de baja coherencia resuelta en ángulo.

Fragmento de la descripción:

Sistemas y método para interferometría endoscópica de baja coherencia resuelta en ángulo.

Solicitudes relacionadas Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional norteamericana número 60/725.603, titulada “SISTEMAS Y MÉTODOS PARA INTERFEROMETRÍA ENDOSCÓPICA DE BAJA COHERENCIA RESUELTA EN ÁNGULO”, presentada el 11 de octubre de 2005.

Esta solicitud también está relacionada con la patente norteamericana número 7.102.758, titulada “INTERFEROMETRÍA DE BAJA COHERENCIA DE DOMINIO DE FOURIER PARA UN APARATO Y UN MÉTODO DE ESPECTROSCOPIA POR DISEMINACIÓN DE LUZ”.

Campo de la invención Un sistema y un método de interferometría de baja coherencia resuelta en ángulo de dominio de Fourier (faLCI) que permiten la adquisición de datos de información de espectros resueltos en ángulo y resueltos en profundidad de una muestra, en los que la información de profundidad y tamaño sobre una muestra puede obtenerse con un sola exploración a altas tasas, en particular para aplicaciones en vivo.

Antecedentes de la invención El examen de las características estructurales de las células es esencial en muchos estudios clínicos y de laboratorio. El microscopio ha sido la herramienta más comúnmente usada en el examen para el estudio de células. Aunque el examen microscópico ha conducido a grandes avances en la comprensión de las células y su estructura, éste está inherentemente limitado por los artefactos de preparación. Las características de las células sólo pueden verse en un instante de tiempo con sus características estructurales alteradas debido a la adición de productos químicos. Además, es necesaria una invasión para obtener muestras de células para su examen. Por este motivo, se desarrolló la espectrografía por diseminación de luz (LSS) para permitir aplicaciones de examen en vivo, incluyendo células. La técnica LSS examina las variaciones en las propiedades de diseminación elástica de las organelas celulares para inferir sus tamaños y otra información dimensional. Con el fin de medir las características celulares de los tejidos y de otras estructuras celulares, es necesario distinguir la luz individualmente diseminada de la luz difusa, que ha sido diseminada de manera múltiple y que ya no transporta información fácilmente accesible acerca de los objetos diseminadores. Esta distinción o diferenciación puede lograrse de varias maneras, tal como la aplicación de una rejilla de polarización, restringiendo o limitando los estudios y análisis a muestras débilmente diseminadoras, o usando modelización para eliminar el (los) componente (s) difuso (s) .

Como un enfoque alternativo para detectar selectivamente luz individualmente diseminada procedente de lugares bajo superficie, también se ha explorado como un método de LSS la interferometría de baja coherencia (LCI) . La LCI utiliza una fuente de luz con una coherencia baja temporal, tal como, por ejemplo, una fuente de luz blanca de banda ancha. Sólo se logra la interferometría cuando los retardos en la longitud de trayectoria del interferómetro son igualados con el tiempo de coherencia de la fuente de luz. La resolución axial del sistema es determinada por la longitud coherente de la fuente de luz y típicamente está en el rango de micrómetros adecuado para el examen de muestras de tejido. Resultados experimentales han mostrado que el uso de una fuente de luz de banda ancha y su segundo armónico permite la recuperación de información acerca de diseminación elástica usando LCI. La LCI ha usado exploraciones de tiempo-profundidad moviendo la muestra con respecto a un brazo de referencia que dirige la fuente de luz sobre la muestra para recibir información de diseminación procedente de un punto particular de la muestra. De este modo, los tiempos de exploración de eran 5-30 minutos con el fin de explorar completamente la muestra.

La LCI resuelta en ángulo (a/LCI) se ha desarrollado como un medio para obtener información estructural bajo superficie relativa al tamaño de una célula. La luz se divide en un haz de referencia y un haz de muestra, en donde el haz de muestra se proyecta sobre la muestra bajo diferentes ángulos para examinar la distribución angular de luz diseminada. La técnica a/LCI combina la capacidad de la (LCI) para detectar luz individualmente diseminada procedente de lugares bajo superficie con la capacidad de métodos de diseminación de luz para obtener información estructural con una precisión y exactitud de sublongitud de onda para construir imágenes tomográficas resueltas en profundidad. La información estructural se determina examinando la distribución angular de la luz retrodiseminada usando una sola fuente de luz de banda ancha que se mezcla con un campo de referencia con un ángulo de propagación. Se determina el tamaño de la célula comparando la parte oscilatoria de las distribuciones angulares medidas con las predicciones de la teoría de Mie. Semejante sistema se describe en Organización y Subestructura Celular Medida usando Interferometría de Baja Coherencia Resuelta en Angulo, Biophysical Journal, 82, abril 2002, 2256-2265.

La técnica a/LCI se ha aplicado exitosamente a la medición de morfología celular y al diagnóstico de neoplasia intraepitelial en un modelo animal de carcinogénesis. Los inventores de la presente solicitud describieron un sistema de esta clase en Determinación de la morfología nuclear usando un sistema de interferometría de baja coherencia resuelto en ángulo, Optics Express, 2003, 11 (25) : páginas 3473-3484. El método a/LCI de obtención de información estructural sobre una muestra se ha aplicado con éxito para medir la morfología celular en tejidos e in vitro, así como en el diagnóstico de neoplasia intraepitelial y en la evaluación de la eficiencia de agentes químicopreventivos en un modelo animal de carcionogénesis. Se ha empleado a/LCI para clasificar prospectivamente muestras de tejido sin procesamiento de tejido, demostrando el potencial de la técnica como un diagnóstico biomédico.

Los sistemas a/LCI de prototipo inicial y de segunda generación requerían de 30 a 5 minutos, respectivamente, para obtener datos similares. Estos sistemas anteriores se basaban en exploraciones de profundidad del dominio de tiempo, justo como las proporcionaban los sistemas previos basados en LCI. La longitud del brazo de referencia del interferómetro tenía que ajustarse mecánicamente para lograr una exploración en serie del ángulo de diseminación detectado. El método para obtener especificad angular se logró haciendo que el haz de referencia del esquema de interferometría cruzará el plano del detector con ángulo variable. Este método general para obtener distribuciones de retrodiseminación resueltas en ángulo y resueltas en profundidad se describió en la patente norteamericana número 6.847.456, titulada “Métodos y sistemas que usan espectroscopia de diseminación de luz basada en campo”.

Otros sistemas LCI anteriores se describen en los patentes norteamericanas números 6.002.480 y 6.501.551. La patente norteamericana número 6.002.480 cubre la obtención de distribuciones espectroscópicas resueltas en profundidad y discute la obtención del tamaño de diseminadores observando cambios de longitud de onda debido a las propiedades de diseminación elástica. La patente norteamericana número 6.501.551 cubre la aplicación endoscópica de formación de imágenes interferométricas y así anticipa el uso de conceptos del dominio de Fourier para obtener resolución de profundidad. La patente norteamericana número 6.501.551 no discute la medición de distribuciones de diseminación resueltas angularmente, el uso de luz diseminada para determinar el tamaño del diseminador por el análisis de las propiedades de diseminación elástica, ni el uso de un espectrómetro de formación de imágenes para registrar en paralelo datos, ya sean datos de diseminación o datos de formación de imágenes. Finalmente, la patente norteamericana número 7.061.622 discute unos medios de fibra óptica para medir distribuciones de diseminación angulares, pero no discute el concepto de dominio de Fourier. Debido a que también describe una técnica de formación de imágenes, todas las realizaciones incluyen ópticas de enfoque que limitan la región sondeada.

Se conocen por XP 002420432, US 5601087 y EP 0243005 otras disposiciones de la técnica anterior.

Sumario de la invención La presente invención implica una nueva técnica de a/LCI denominada a/LCI de dominio de Fourier (faLCI) , la cual permite la adquisición de datos a tasas rápidas usando una sola exploración, suficiente para hacer factibles aplicaciones en vivo. La presente invención obtiene información de espectros resuelta en... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un aparato para obtener espectros resueltos en profundidad de una muestra (18”) en vivo a fin de determinar las características estructurales de diseminadores dentro de la muestra, que comprende:

un divisor (80) de fibra y una fibra óptica (10”) ;

una fuente de luz polarizada configurada para entregar luz polarizada a través de la fibra óptica al divisor de fibra a fin de dividir la luz en un haz de muestra y un haz de referencia;

una primera trayectoria óptica del haz de muestra compuesta de una fibra (16”) de entrega que consiste en una fibra monomodo con control de polarización integrado en la punta o una fibra mantenedora de polarización,

una segunda trayectoria óptica del haz de muestra, que es una mazo (116) de fibras compuesto de una pluralidad de fibras ópticas que tienen longitudes de trayectoria sustancialmente coincidentes y que tienen un extremo distal y un extremo proximal;

en donde la fibra de entrega está fijada al extremo distal, y dispuesta adyacente a la periferia, del mazo de fibras para formar una sonda (113) de muestra;

una primer lente (L1) , una segunda lente (L2) , una tercera lente (L3) y una cuarta lente (L4) ;

en donde el haz de muestra es dirigido hacia la muestra a través de la primera trayectoria óptica de tal manera que el haz de muestra se desplace desde la fibra de entrega a través de la primera lente (L1) , que está posicionada a una distancia focal de separación de la cara de la sonda de muestra y centrada sobre el mazo de fibras y tiene su eje óptico desplazado lateralmente respecto de la cara extrema de la fibra de entrega para proporcionar una haz colimado incidente sobre la muestra bajo un ángulo oblicuo con respecto al eje óptico del mazo de fibras;

en donde el mazo de fibras está adaptado para recibir un haz de muestra diseminado desde la muestra que está situada en el otro foco de la primera lente, de tal manera que la pluralidad de fibras ópticas reciban una distribución de diseminación angular del haz de muestra diseminado mediante una propiedad de trasformada de Fourier de la primera lente y el extremo proximal de la segunda trayectoria óptica esté posicionado para entregar el haz de muestra diseminado a la segunda lente y a la tercera lente;

una tercera trayectoria óptica compuesta de una figura óptica (14”) adaptada para transportar el haz de referencia desde el divisor de fibra y que termina en una cuarta lente adaptada para producir una iluminación uniforme para su recepción por el detector, y en donde la trayectoria óptica del haz de referencia está emparejada con el modo fundamental de la trayectoria óptica de las trayectorias ópticas primera y segunda combinadas del haz de muestra;

un divisor de haz adaptado para recibir el haz de referencia y el haz de muestra de la segunda trayectoria óptica para correlacionar en cruz el haz de muestra de la segunda trayectoria óptica y el haz de referencia con el fin de producir una señal resuelta en ángulo y correlacionada en cruz;

un espectrógrafo de formación de imágenes adaptado para dispersar espectralmente la señal resuelta en ángulo y correlacionada en cruz para producir un perfil resuelto en ángulo y espectralmente resuelto en cada uno de la multitud de ángulos en paralelo al mismo tiempo; y

un procesador adaptado para recibir el perfil resuelto en ángulo y espectralmente resuelto y transformar según Fourier el perfil para producir un perfil resuelto en ángulo y resuelto en profundidad que es analizado con el fin de determinar las características estructurales.

2. El aparato según la reivindicación 1, en el que el procesador está adaptado para determinar la profundidad de los diseminadores de la muestra a partir del perfil resuelto en ángulo y espectralmente resuelto.

3. El aparato según la reivindicación 1, en el que el procesador está adaptado para recuperar información de tamaño sobre los diseminadores a partir del perfil resuelto en ángulo y espectralmente resuelto.

4. El aparato según la reivindicación 3, en el que el procesador está adaptado para recuperar la información de tamaño comparando la distribución de diseminación angular del haz de muestra diseminado con una distribución de diseminación angular predicha analítica o numéricamente calculada de la muestra.

5. El aparato según la reivindicación 1, en el que el procesador está adaptado para recuperar información estructural bajo superficie acerca de los diseminadores a partir del perfil resuelto en ángulo y espectralmente resuelto.

6. El aparato según la reivindicación 1, en el que la pluralidad de fibras ópticas de la segunda trayectoria óptica comprende una formación lineal de fibras monomodo o multimodo.

7. El aparato según la reivindicación 1, en el que la pluralidad de fibras ópticas de la segunda trayectoria óptica

están concebidas para recoger diferentes diseminaciones angulares del haz de muestra a fin de recoger la distribución de diseminación angular del haz de muestra diseminado y poseen la misma disposición espacial en los extremos distal y proximal de la pluralidad de fibras ópticas de modo que la pluralidad de fibras ópticas sean espacialmente coherentes con respecto al transporte de la distribución de diseminación angular del haz de muestra diseminado.

8. El aparato según la reivindicación 1, en el que la fuente de luz está compuesta de un diodo superluminiscente.

9. Un método para obtener espectros resueltos en profundidad de una muestra (18”) en vivo a fin de determinar características estructurales de diseminadores dentro de la muestra, que comprende

emitir un haz de luz polarizada a través de una fibra óptica hacia un divisor de fibra para dividir la luz en un haz de muestra y una haz de referencia (10”) ;

transportar el haz de muestra a través de una primera trayectoria óptica compuesta por una fibra (16”) de entrega que consiste en una fibra de entrega monomodo con control de polarización integrado en la punta o una fibra mantenedora de polarización, y a través de una segunda trayectoria óptica (116) que es un mazo de fibras compuesto de una pluralidad de fibras ópticas que tienen longitudes de trayectoria sustancialmente coincidentes y que tienen un extremo distal y un extremo proximal;

comprendiendo la fibra de entrega la primera trayectoria óptica que está fijada al extremo distal, y dispuesta adyacente a la periferia, del mazo de fibras que comprende la segunda trayectoria óptica para formar una sonda de muestra (113) .

dirigir el haz de muestra hacia la muestra a través de la primera trayectoria óptica de modo que el haz de muestra se desplace desde la fibra de entrega a través de una primera lente (L1) que está posicionada a una distancia focal de separación de la cara de la sonda de muestra y centrada sobre el mazo de fibras y tiene su eje óptico desplazado lateralmente respecto de la cara extrema de la fibra de entrega para proporcionar un haz colimado incidente sobre la muestra bajo un ángulo oblicuo con respecto al eje óptico del mazo de fibras, y estando situada la muestra en el otro foco de la primera lente;

recibir una distribución de diseminación angular de un haz de muestra diseminada, que se disemina fuera de la muestra, a través de la segunda trayectoria óptica (116) de tal manera que la pluralidad de fibras ópticas reciban una distribución de diseminación angular del haz de muestra diseminado mediante la propiedad de transformada de Fourier de la primera lente, y el extremo proximal de la segunda trayectoria óptica está posicionado para entregar el haz de muestra diseminado a una segunda lente y a una tercera lente;

transportar el haz de referencia a través de una tercera trayectoria óptica compuesta de una fibra óptica (14”) adaptada para transportar el haz de referencia desde el divisor de fibra y que termina en una cuarta lente (128) adaptada para producir una iluminación uniforme para su recepción por el detector, y en donde la trayectoria óptica del haz de referencia está emparejada con el modo fundamental de la trayectoria óptica de las trayectorias ópticas combinadas primera y segunda del haz de muestra;

correlacionar en cruz la distribución de diseminación angular con el haz de referencia para proporcionar una señal resuelta en ángulo y correlacionada en cruz acerca de la muestra;

dispersamente espectralmente la señal resuelta en ángulo y correlacionada en cruz para producir un perfil resuelto en ángulo y espectralmente resuelto en cada uno de la multitud de ángulos en paralelo al mismo tiempo; y

transformar según Fourier el perfil resuelto en ángulo y espectralmente resuelto para producir información estructural resuelta en profundidad acerca de la muestra en función del ángulo y la profundidad.

10. El método según la reivindicación 9, que además comprende recuperar información estructural bajo superficie sobre los diseminadores a partir del perfil resuelto en ángulo y resuelto en profundad.

11. El método según la reivindicación 9, que además comprende recuperar información de tamaño acerca de los diseminadores a partir del perfil resuelto en ángulo y resuelto en profundad.

12. El método según la reivindicación 11, en el que la recuperación de la información de tamaño acerca de los diseminadores comprende comparar la distribución de diseminación angular del haz de muestra diseminado con una distribución de diseminación angular predicha analítica o numéricamente calculada de la muestra.

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