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

Una sonda (113) de fibra óptica para un aparato para obtener espectros resueltos en profundidad de una muestra (18") en vivo para determinar las características estructurales de difusores dentro de la muestra,

incluyendo el aparato una fuente de luz polarizada configurada para proporcionar luz polarizada a través de un fibra óptica a un divisor de fibra para dividir la luz en un haz de muestra y un haz de referencia, la sonda se caracteriza por: una lente (L1) que tiene un eje óptico;

una fibra (16") de entrega monomodo con control de polarización integrado en la punta o una fibra mantenedora de polarización para conducir el haz de muestra y mantener la polarización del haz de muestra; y

un mazo (116) de fibras receptor que comprende una pluralidad de fibras ópticas que tienen longitudes de trayectoria sustancialmente coincidentes y que tienen un extremo proximal y un extremo distal, estando situada la cara del extremo distal a una longitud focal de la lente (L1) y centrada en el eje óptico;

en donde la fibra de entrega está fijada al extremo distal del, y dispuesta adyacente a la periferia del, mazo de fibras inclinado desde el eje óptico para dirigir el haz de la muestra de tal manera que el haz de muestra se desplace desde la fibra de entrega a través de la primera lente (L1), desplazada lateralmente desde el extremo de la fibra de entrega para proporcionar una haz colimado incidente sobre la muestra bajo un ángulo oblicuo con respecto al eje óptico; y

en donde el mazo de fibras receptor está adaptado para recibir un haz de muestra difundido desde la muestra que está situada en el otro foco de la lente (L1), de tal manera que la pluralidad de fibras ópticas reciba una distribución angular del haz de muestra difundido mediante una propiedad de trasformada de Fourier de la lente (L1).

Sistemas y método para interferometría endoscópica de baja coherencia resuelta en ángulo basada en fibra 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 DIFUSIÓN 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 difusión de luz (LSS) para permitir aplicaciones de examen en vivo, Incluyendo células. La técnica LSS examina las variaciones en las propiedades de difusión elástica de las organelas celulares para inferir sus tamaños y otra Información dimensional. Óon el fin de medir las características celulares de los tejidos y de otras estructuras celulares, es necesario distinguir la luz Individualmente difundida de la luz difusa, que ha sido difundida de manera múltiple y que ya no transporta información fácilmente accesible acerca de los objetos difusores. 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 dlfusoras, o usando modelización para eliminar el(los) componente(s) difuso(s).

Como un enfoque alternativo para detectar selectivamente luz individualmente difundida procedente de lugares bajo superficie, también se ha explorado como un método de LSS la interferometría de baja coherencia (LCI). La LÓI 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 ¡nterferómetro 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 difusión 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 difusión 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 difundida. La técnica a/LCI combina la capacidad de la (LCI) para detectar luz individualmente difundida procedente de lugares bajo superficie con la capacidad de métodos de difusión 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 retrodifundida 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 Mié. 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 ¡ntraepitelial 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 difusión 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 retrodifusión 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 difusión 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 difusores observando cambios de longitud de onda debido a las propiedades de difusión elástica. La patente norteamericana número 6.501.551 cubre la aplicación endoscópíca 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 difusión resueltas angularmente, el uso de luz difundida para determinar el tamaño del difusor por el análisis de las propiedades de difusión elástica, ni el uso de un espectrómetro de formación de imágenes para registrar en paralelo datos, ya sean datos de difusión o datos de formación de imágenes. Finalmente, la patente norteamericana número 7.061.622 discute unos medios de fibra óptica para medir distribuciones de difusión 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 XP55018887, US 2003/137669 y XP 002420432 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 ángulo y resuelta en profundidad acerca de una muestra, en la cual puede obtenerse... [Seguir leyendo]

1. Una sonda (113) de fibra óptica para un aparato para obtener espectros resueltos en profundidad de una muestra (18") en vivo para determinar las características estructurales de difusores dentro de la muestra, incluyendo el aparato una fuente de luz polarizada configurada para proporcionar luz polarizada a través de un fibra óptica a un divisor de fibra para dividir la luz en un haz de muestra y un haz de referencia, la sonda se caracteriza por:

una lente (L1) que tiene un eje óptico;

una fibra (16") de entrega monomodo con control de polarización integrado en la punta o una fibra mantenedora de polarización para conducir el haz de muestra y mantener la polarización del haz de muestra; y

un mazo (116) de fibras receptor que comprende una pluralidad de fibras ópticas que tienen longitudes de trayectoria sustancialmente coincidentes y que tienen un extremo proximal y un extremo distal, estando situada la cara del extremo distal a una longitud focal de la lente (L1) y centrada en el eje óptico;

en donde la fibra de entrega está fijada al extremo distal del, y dispuesta adyacente a la periferia del, mazo de fibras inclinado desde el eje óptico para dirigir el haz de la muestra de tal manera que el haz de muestra se desplace desde la fibra de entrega a través de la primera lente (L1), desplazada lateralmente desde el extremo de la fibra de entrega para proporcionar una haz colimado incidente sobre la muestra bajo un ángulo oblicuo con respecto al eje óptico; y

en donde el mazo de fibras receptor está adaptado para recibir un haz de muestra difundido desde la muestra que está situada en el otro foco de la lente (L1), de tal manera que la pluralidad de fibras ópticas reciba una distribución angular del haz de muestra difundido mediante una propiedad de trasformada de Fourier de la lente (L1).

2. La sonda de fibra óptica de la reivindicación 1, en la que la pluralidad de fibras ópticas del mazo de fibras receptor están dispuestas para recoger la luz difundida en una pluralidad de ángulos y simultáneamente obtener la distribución de difusión angular del haz de muestra difundido.

3. La sonda de fibra óptica de la reivindicación 1, en la que la pluralidad de fibras ópticas del mazo de fibras receptor comprende una disposición ordenada lineal de fibras ópticas monomodo o multimodo.

4. La sonda de fibra óptica de la reivindicación 1, en la que la pluralidad de fibras ópticas posee la misma disposición espacial en los extremos distal y proximal de la pluralidad de fibras ópticas del mazo de fibras receptor de manera que la pluralidad de fibras ópticas sea espacialmente coherente con respecto al transporte de la distribución de difusión angular del haz de muestra difundido.

5. La sonda de fibra óptica de la reivindicación 1, en la que la lente (L1) comprende una lente de tambor o una lente esférica.

6. La sonda de fibra óptica de la reivindicación 1, en la que la lente (L1) está configurada para rotar radialmente alrededor del eje óptico para proporcionar un barrido circunferencial del área sondeada.

7. La sonda de fibra óptica de cualquier reivindicación precedente, que además comprende una vaina transparente (102) adaptada para situar la muestra en el plano focal frontal del elemento óptico.

8. La sonda de fibra óptica de la reivindicación 1, en la que la pluralidad de fibras está configurada para recibir la distribución angular recogida en un intervalo de aproximadamente 30 grados con relación al eje óptico.

9. La sonda de fibra óptica según cualquier reivindicación precedente, que además comprende un divisor de haz adaptado para recibir el haz de referencia y la distribución de difusión angular del haz de la muestra difundido desde

la pluralidad de fibras ópticas, en la que el divisor de haz correlaciona en cruz el haz de la muestra y el haz de referencia para producir una señal correlacionada en cruz y resuelta en ángulo.

10. La sonda de fibra óptica de la reivindicación 9, que además comprende un espectrógrafo de formación de 5 imágenes que dispersa espectral mente la señal resuelta en ángulo y correlacionada en cruz para producir un perfil resuelto en ángulo y espectral mente resuelto en cada uno de la multitud de ángulos reflejados en paralelo al mismo tiempo.

11. La sonda de fibra óptica de la reivindicación 10, que además comprende un procesador que recibe el perfil 10 resuelto en ángulo y espectralmente resuelto y transforma 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 de los dispersores de la muestra.