DISPOSITIVO DE BARRIDO PARA INTERFEROMETRÍA DE BAJA COHERENCIA.

Dispositivo de barrido para tomografía de coherencia óptica que comprende un brazo de muestreo que comprende al menos una guía de onda que conduce la luz procedente de una fuente de luz hasta la muestra y la luz reflejada en dicha muestra,

un brazo de referencia, unos medios interferentes configurados para producir interferencia entre la luz recibida del brazo de muestreo y la luz recibida del brazo de referencia, un detector configurado para detectar dicha interferencia entre la luz recibida del brazo de muestreo y del brazo de referencia, y unos medios de multiplexado (1) configurados para diferenciar entre al menos dos rangos de profundidad en la luz reflejada en la muestra que viaja por cada guía de onda del brazo de muestreo.

DISPOSITIVO DE BARRIDO PARA INTERFEROMETRÍA DE BAJA COHERENCIA

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de la interferometría de

5 baja coherencia. La exposición se realiza centrada en una de sus aplicaciones más

conocidas, la tomografía de coherencia óptica, capaz de generar imágenes (20) y

representaciones volumétricas (30) de la histología del tejido, aunque sus aplicaciones

pueden ser más amplias.

1 O Antecedentes de la invención

La tomografía de coherencia óptica (OCT, por sus siglas en inglés, Optical

Coherence Tomography) es una técnica de generación de imágenes médicas capaz

de proporcionar información axial de alta resolución utilizando una fuente de luz de

banda ancha y un sistema de detección interferométrico. Ha encontrado un amplio

15 rango de usos, desde oftalmología y cardiología hasta ginecología o el estudio in-vitro

de material biológico con alta resolución.

La información axial se obtiene en OCT mediante un método interferométrico;

sin embargo, para la generación de imágenes (20) y representaciones volumétricas

(30) de la histología del tejido, es necesario mover el haz de luz lateralmente sobre el

20 área de interés. Dicho movimiento se ha realizado tradicionalmente mediante el

desplazamiento mecánico de alguno de los elementos ópticos, de la guía de luz en el

caso de sistemas basados en fibra, o de la muestra. La solución más común incluye la

inclusión de algún espejo móvil en el camino del haz luminoso en el brazo de muestreo

del interferómetro.

25 Aunque este método es efectivo, tiene serios inconvenientes, especialmente en

términos de fiabilidad, coste de fabricación, coste de mantenimiento, complejidad de

ajuste, tamaño del sistema final, etc. En este sentido, el uso de tecnología MOEMS

(Micro-opto-electromechanical systems) ha sido propuesto y demostrado para

situaciones en las que espejos ópticos convencionales no son aceptables, como en

30 catéteres o para laparoscopia. Sin embargo, estos dispositivos adolecen de muchos

de los mismos problemas que sus versiones macroscópicas y plantean sus propios

problemas de encapsulado, esterilización, etc.

Una alternativa al barrido lateral electromecánico sería la separación del brazo

de muestreo en varios caminos ópticos, donde cada uno de los cuales dirige un haz de

35 luz a una zona de la muestra y recoge la luz reflejada por ésta, junto con un

mecanismo de multiplexado que permita diferenciar la luz recogida en cada uno de

dichos caminos ópticos del brazo de muestreo.

Una solución relacionada con esta alternativa se propone en la solicitud de

patente WO 2010/134624, aunque en este caso en realidad se describe el uso de

5 varios interferómetros completos trabajando en paralelo, y únicamente comparten

entre si la fuente de luz, por lo que el brazo de muestreo de cada uno de dichos

interferómetros consta de un único camino óptico y no se utiliza ningún mecanismo de

multiplexado.

Existe también otra solicitud de patente, la WO 2004/073501, que contempla el

1 O uso de varios haces de luz que inciden simultáneamente sobre la muestra. Sin

embargo, el objetivo de dicha patente es en realidad combinar dichos haces de forma

controlada mediante el uso de moduladores y retardadores de fase, de tal manera que

la iluminación conjunta sobre la muestra presente un determinado patrón de

interferencia. Actuando sobre los moduladores y retardadores se varía la posición del

15 patrón de interferencia de la iluminación sobre la muestra y, posteriormente, mediante

técnicas de procesado de señal se reconstruye una imagen tridimensional de la

muestra. Por tanto, en dicha solicitud no se utilizan medios de multiplexado para

diferenciar la luz recogida en una pluralidad de caminos ópticos, existiendo de hecho,

un único camino óptico que recoge la luz reflejada por la muestra.

20 En el artículo Yamanari et. Al, quot;Full-range polarization-sensitive swept-source

optical coherence tomography by simultaneous transversal and spectral modulationquot;,

Optics Express Vol. 18, lssue 13, pp. 13964-13980, 2010, se describe un sistema SS

OCT (OCT con Barrido de Fuente) sensible a la polarización en el que con objeto de

solucionar el problema de los complejos conjugados típico de sistemas FD-OCT (OCT

25 en el dominio de Fourier) y SS-OCT, se aplica una modulación de fase al brazo de

referencia que se va modificando conforme los medios electro-mecánicos barren

lateralmente la muestra. Dicho documento no describe por tanto el uso de modulación

en el brazo de muestreo, y sobre todo no aborda la eliminación de los medios electro

mecánicos para el barrido lateral de la muestra.

30 Por otra parte, en el caso de los sistemas OCT de dominio del tiempo (TD-OCT

Time Domain-Optical Coherence Tomography) , la velocidad de barrido del elemento

de retardo variable del brazo de referencia puede suponer una limitación del

desempeño del sistema final, en la medida en que su velocidad de funcionamiento, o

En la patente US 6198540 se describe un sistema que utiliza varios caminos

ópticos en el brazo de referencia junto con moduladores ópticos, que conjuntamente, y

con el posterior procesado de señal pertinente, permiten escanear de forma

simultánea varias profundidades dentro del tejido. No obstante, dicha patente sigue

5 necesitando de medios tradicionales para el barrido lateral de la muestra.

En la solicitud de patente EP 1780530 se utilizan también varios caminos

ópticos en el brazo de referencia, en este caso, con el objetivo de solucionar el

problema de los complejos conjugados inherente a los sistemas FD-OCT. De nuevo,

dicha solicitud de patente sigue necesitando de medios tradicionales para el barrido

1 O lateral de la muestra.

Sin embargo, no se ha descrito hasta el momento un dispositivo que combine

la posibilidad de realizar un escaneo lateral, y no secuencial de la imagen, sin

elementos mecánicos, mediante la división del brazo muestreo en varios caminos

ópticos y el uso de una pluralidad de medios de salida que envíen y reciban haces de

15 luz hacia y desde diferentes zonas de la muestra, junto con la capacidad de diferenciar

la luz recibida en un momento dado proveniente de reflexiones a diferentes

profundidades dentro de la muestra.

Descripción de la invención

20 La invención ofrece una solución al problema del barrido de la muestra en

tomografía de coherencia óptica evitando o minimizando el uso de elementos

mecánicos móviles para el desplazamiento lateral del haz sobre la muestra y a la vez

permite multiplicar la eficacia del barrido axial. Además, la invención permite

implementar esquemas de diversidad espacial mediante la medición simultánea de

25 una misma zona de la muestra desde diferentes direcciones, lo que puede utilizarse

para reducir el ruido en las medidas. También es posible con esta invención obtener

medidas de la dispersión de la muestra en varias direcciones, proporcionando por

tanto información acerca de la anisotropía de la muestra. La invención comprende una

pluralidad de conmutadores y/o moduladores para dirigir el haz a través de varios

30 caminos ópticos alternativos definidos preferiblemente utilizando óptica integrada.

Mediante el empleo de distintas técnicas de multiplexado se diferencian varios

caminos ópticos de forma unívoca de modo que en el procesado de la imagen se

identifiquen las distintas posiciones espaciales. Cualquier técnica de multiplexado es

aplicable (dominio del tiempo, de la frecuencia, división de código, etc.) , siendo

35

energía óptica. Dicha conservación de energía se debe al principio de reciprocidad o

de inversión temporal, ya que en el camino inverso la luz se encuentra con el mismo

tipo de estructura que en el camino directo, lo que introduce importantes pérdidas de

potencia óptica si se utilizan acopladores equilibrados entre todas las ramas, como

5 sería de esperar en un sistema basado en multiplexado en frecuencia. En

consecuencia, es preferible el uso en la medida de lo posible de conmutadores y

alguna forma de división temporal de la potencia entre todas las guías de onda,

aunque en algunas de las implementaciones se combina dicho multiplexado por

división temporal con multiplexados de otro tipo, como por ejemplo en el dominio de la

1 O frecuencia....

1. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia caracterizado por comprender: 5 • unos medios de entrada (7) que conducen la luz procedente de un sistema de interferometría de baja coherencia,

• una pluralidad de medios de salida (8) que dirigen la luz procedente de los medios de entrada (7) hacia la muestra y recogen la luz reflejada en dicha muestra,

O • una pluralidad de caminos ópticos (1 O) que comunican los medios de entrada (7) con la pluralidad de medios de salida (8) ,

• una pluralidad de medios retardadores (11) incorporados en la pluralidad de caminos ópticos (1 0) , que introducen retrasos de grupo en la luz que los atraviesa,

• unos primeros medios de multiplexado (1) incorporados en la pluralidad de caminos ópticos (1 O) y configurados para diferenciar la luz que ha atravesado cada uno de dichos medios retardadores (11 ) ,

• unos segundos medios de multiplexado (9) incorporados en la pluralidad de caminos ópticos (1 O) y configurados para diferenciar la luz recogida por cada 20 uno de los medios de salida (8) .

2. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un sistema óptico (4) situado a la salida de los medios de salida (8) donde dicho sistema óptico (4) está configurado para enfocar la luz que atraviesa dichos medios de salida (8) .

3. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según la reivindicación 2, caracterizado por que el sistema óptico (4) está configurado para enfocar la luz que atraviesa medios de salida (8) espacialmente adyacentes sobre puntos del plano focal separados por una distancia entre 1 y 1 O veces el diámetro de los haces correspondientes a cada medio de salida (8) cuando tanto dicha distancia como dicho diámetro son medidos en el plano focal.

4. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de 35 las reivindicaciones 2 a 3, que comprende al menos un subconjunto (13', 13quot;, .. )

formado por un subconjunto de los medios de salida (8) , y caracterizado por que el

sistema óptico (4) está configurado para enfocar la luz que atraviesa los medios de

salida (8) pertenecientes a un mismo subconjunto (13', 13quot;, ... ) sobre puntos del plano

focal separados por una distancia igual o inferior a dos veces el diámetro de los haces

5 correspondientes a cada medio de salida (8) cuando tanto dicha distancia como dicho

diámetro son medidos en el plano focal.

5. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de

las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado por que el sistema óptico (4) comprende una

1 O lente GRIN configurada para producir la imagen óptica de los extremos de los medios

de salida (8) en una superficie imagen localizada dentro de la muestra a analizar,

seguida de un elemento reflector (5) configurado para dirigir la pluralidad de haces de

luz que atraviesan los medios de salida (8) en dirección oblicua o perpendicular a la

dirección original de propagación de dichos haces.

15

6. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de

las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los primeros y segundos medios

de multiplexado (1, 9) comprenden una pluralidad de conmutadores ópticos (2) de

banda ancha configurados para dirigir el haz de luz a través de uno entre una

20 pluralidad de caminos ópticos (1 0) .

7.Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según la

reivindicación 6, caracterizado por que los conmutadores ópticos (2) están

configurados para funcionar temporalmente como acopladores direccionales

25 permitiendo que la luz se divida entre dos o más caminos ópticos (1 0) .

8. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de

las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los primeros y segundos medios

de multiplexado (1, 9) comprenden al menos un modulador óptico (3) configurado para

30 modificar la fase de la luz que lo atraviesa.

9. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de

las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los primeros medios de

multiplexado (1) están configurados para realizar una de entre las siguientes

35

• una multiplexación temporal,

• una multiplexación en frecuencia,

• y combinaciones de las anteriores.

10. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los primeros y segundos medios de multiplexado (1, 9) están configurados para ajustar el ciclo de trabajo y la potencia de la luz que recorre cada uno de los caminos ópticos (1 0) .

O 11. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los segundos medios de multiplexado (9) están configurados para realizar un multiplexado en el dominio de la coherencia de forma que la diferencia entre retrasos en la luz dirigida a cada uno de los medios de salida (8) sea al menos igual a la longitud de línea del barrido axial total.

1.

12. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los segundos medios de multiplexado (9) están configurados para realizar una de entre las siguientes multiplexaciones:

• una multiplexación temporal,

• una multiplexación en frecuencia,

• una multiplexación en el dominio de la coherencia,

• y combinaciones de las anteriores.

13. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los primeros medios de multiplexado (1) actúan de forma independiente sobre los caminos ópticos (1 O) asociados a distintos subconjuntos de los medios de salida (8) .

14. Dispositivo de barrido para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende unos medios electromecánicos (12) configurados para desplazar los extremos de los medios de salida (8) realizando un barrido lateral controlable.