量子激發的方法大大降低了光學相干層析成像所需的光功率

2020-12-07 騰訊網

研究人員使用了一種從量子光學借來的技術來進行光學相干斷層掃描(OCT)，其光功率比以前可能的要低得多。兩種觀點的光學設置顯示。

研究人員已經證明，一種借鑑於量子光學的檢測技術可以用比以前更低的光功率來執行光學相干層析成像(OCT)。這可以大大提高成像質量可用的OCT用於醫學成像應用。

OCT利用光線以非侵入性的方式提供高解析度的三維圖像。雖然OCT通常用於眼科學應用，但它也可用於成像身體的許多其他部位，如皮膚、耳內、口腔、動脈和胃腸道。

來自紐西蘭奧克蘭大學的研究小組組長Sylwia Kolenderska說:「對於臨床應用來說，能夠在低光功率下進行OCT是至關重要的，因為安全標準限制了可使用的光強水平。」「在某些情況下，這些功率級別不足以達到良好的圖像質量。」

在光學學會(OSA)期刊《光學快報》上，研究人員描述了他們如何用超導單光子探測器(SSPDs)取代標準的OCT探測器，SSPDs是一種用於量子光學區分單個光子的技術。這種設置使他們能夠在比目前使用的OCT儀器功率低100萬倍的情況下獲得良好的圖像質量。

Kolenderska說:「在未來，如果單光子探測技術能夠變得更小、更便宜，那麼基於光成像的可攜式診斷機器就可以在人們舒適的家中製造出來，實現安全的自我診斷。」

捕捉單個光子

研究人員在開發一種以SSPDs為中心的基於量子光的OCT方法的同時，提出了新的檢測方案。他們很快意識到SSPDs也可以用於標準OCT安排以提高靈敏度。

Kolenderska說:「由於SSPDs可以探測到單光子，使用它們的OCT儀器與目前現代OCT儀器相比只需要極少的光量。」「然而，它仍然可以產生與現有OCT系統相媲美的高細節圖像。」

將SSPDs合併到標準OCT系統中需要對典型的光學設置進行一些更改。現代OCT儀器的工作原理是分辨物體反射的光的顏色或波長。當光源每次產生一個波長時，可以使用單像素檢測器進行波長辨別，也可以使用衍射光柵將光分成不同波長，就像檢測這些波長的稜鏡和照相機一樣。

研究人員使用光纖而不是光柵來分離不同的顏色，每一種顏色在光纖中以不同的速度傳播。在光纖的輸出端，他們使用SSPD來捕捉不同時間到達的不同顏色。這樣就可以獲得重建OCT圖像所需的光譜。

低功率的光產生高質量的圖像

為了演示新的檢測方案，研究人員獲得了一疊三種類型的玻璃和一塊代表生物樣本的洋蔥的OCT圖像。他們獲得了兩個樣本的高質量圖像，光照強度至少比安全標準設置的低五個數量級。

Kolenderska說:「我們的結果表明，新的檢測方法可以使人體不同部位的OCT成像質量更好，尤其是像眼睛這樣的敏感器官，而不用擔心光功率超過安全水平。」「事實上，SSPD早在達到安全水平的1%之前就會損壞到無法修復的地步。」

然而，研究人員確實在他們所獲得的OCT圖像中觀察到了與樣本結構不相符的人為因素。這是因為探測系統探測到光子之間的各種相互作用，而不僅僅是重建真實圖像所需的那些。他們正在試驗尋找在不影響成像速度的情況下防止這些偽影的最佳方法，這對臨床應用至關重要。

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