Schéma d'un système SD OCT couplé par fibre avec une source de supercontinuum générée par le guide d'onde Si3N4. Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abg8869
En optique, lorsqu'un ensemble de processus non linéaires agissent ensemble sur un faisceau pompe, l'élargissement spectral résultant du faisceau de pompe d'origine donne lieu à un supercontinuum. Les sources de supercontinuum pour la tomographie par cohérence optique sont d'un grand intérêt car elles offrent une large bande passante pour une sensibilité d'imagerie haute résolution et haute puissance. Pour les systèmes commerciaux de supercontinuum à base de fibres, les chercheurs utilisent des puissances de pompage élevées pour générer une large bande passante et des filtres optiques personnalisés pour moduler les spectres. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Xingchen Ji et une équipe de recherche en génie électrique, génie biomédical et physique appliquée à l'Université de Columbia, New York, NOUS., introduit une plate-forme de supercontinuum basée sur un 1 mm 2 puce photonique au nitrure de silicium pour la tomographie par cohérence optique (OCT). Les chercheurs ont directement pompé et généré efficacement un supercontinuum à près de 1300 nm et ont utilisé la configuration pour imager les tissus biologiques et montrer les fortes performances d'imagerie de l'appareil. La nouvelle puce facilitera les OCT portables et la photonique intégrée pendant les études d'imagerie optique.
Systèmes d'imagerie médicale
La tomographie par cohérence optique (OCT) est une modalité d'imagerie optique tridimensionnelle de haute résolution. La plateforme d'imagerie OCT est un standard de soins en médecine, dont l'ophtalmologie, dermatologie, gastro-entérologie et imagerie du cancer du sein. Alors que les sources lumineuses supercontinuum pour OCT offrent une large bande passante, ils nécessitent une source d'alimentation très élevée pour obtenir une large bande passante et des performances élevées par rapport à la plage de sensibilité requise. Les sources commerciales de supercontinuum sont également volumineuses et ont démontré une faible efficacité de génération de supercontinuum. Pour dépasser ces limites, Ji et al. a développé une source de lumière supercontinuum pour l'imagerie OCT dans un nitrure de silicium compact (Si
L'équipe de recherche a intégré la puce de nitrure de silicium dans un système OCT-domaine spectral couplé par fibre centré à 1300 nm. Ji et al. a envoyé la lumière de sortie de la puce de nitrure de silicium directement à l'interféromètre OCT via un circulateur et a mesuré les performances du système nitrure de silicium-OCT pour enregistrer une sensibilité de 105 dB à une puissance de 300 µW. Relativement, un supercontinuum commercial a montré 95 dB avec une puissance de 4 mW. La sensibilité mesurée dans l'installation était proche de la prédiction théorique limitée par le bruit de grenaille. En utilisant le système puce-OCT en nitrure de silicium, Ji et al. ont résolu divers tissus biologiques microscopiques de tissu mammaire humain sain. Pour y parvenir, l'équipe a reçu des échantillons de tissus de patientes subissant une mastectomie au Columbia University Irving Medical Center. Ils ont fixé le spécimen dans du formol et les ont imagés ex vivo, 24 heures après l'exérèse chirurgicale. L'analyse volumétrique tridimensionnelle (3D) résultante du tissu mammaire sain a démontré d'importantes caractéristiques structurelles microscopiques, y compris les canaux galactophores, lobules, tissu adipeux et conjonctif. Les chercheurs ont traité les images OCT à partir des données brutes en effectuant une soustraction de fond et une compensation de dispersion numérique.
Spectre de supercontinuum mesuré généré à l'aide du guide d'ondes Si3N4. Le spectre a une bande passante de 30 dB de 445 nm couvrant 990 à 1435 nm et une bande passante plate de 3 dB couvrant 1264 à 1369 nm avec une énergie d'impulsion de pompe d'entrée de 25 pJ. Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abg8869
Matériaux pour la génération de supercontinuum
Les scientifiques peuvent générer des spectres de supercontinuum à l'aide de guides d'ondes intégrés de différentes plates-formes matérielles. Le nitrure de silicium a l'avantage d'être compatible avec les procédés complémentaires métal-oxyde-semi-conducteur, pour une fabrication à grande échelle à faible coût. Le matériau combine les avantages d'une perte ultra-faible, un contraste d'indice élevé entre le guide d'onde et l'indice de gaine, à côté d'une large fenêtre de transparence pour couvrir les fenêtres de longueur d'onde de l'imagerie OCT pour diverses applications. Toutes ces caractéristiques ont fait du nitrure de silicium un bon candidat pour les applications d'imagerie OCT. Ji et al. a également montré expérimentalement comment le dispositif photonique intégré au nitrure de silicium constituait une plate-forme prometteuse pour l'imagerie OCT et anticipait le développement de plates-formes photoniques supplémentaires intégrées pour l'imagerie biomédicale.
Simulations et image au microscope d'appareils fabriqués. (A) Simulation de mode d'un guide d'ondes de 730 nm de haut et de 840 nm de large montrant que le mode électrique transversal fondamental (TE) est fortement confiné dans la géométrie que nous avons choisie. (B) Dispersion de vitesse de groupe simulée (GVD) de notre guide d'ondes qui fournit une GVD proche de zéro près de 1300 nm, ce qui nous permet de pomper directement et de générer efficacement un supercontinuum à large bande à cette longueur d'onde sans aucun post-filtrage. (C) Image au microscope optique vue de dessus de plusieurs guides d'ondes à haut confinement de 5 cm de long fabriqués sur la même puce. Le zoom avant montre que le guide d'ondes fabriqué n'occupe qu'une surface de 1 × 1 mm2. Crédit photo :Xingchen Ji, Université Columbia. Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abg8869
Scan volumétrique 3D d'un parenchyme mammaire sain acquis avec une source lumineuse à puce Si3N4. Au dessous de, B-scans OCT représentatifs du volume 3D avec l'histologie correspondante de l'hématoxyline et de l'éosine. Les structures de parenchyme visualisées comprenaient des canaux, kystes, lobules, adipeux, et stroma. Barres d'échelle, 500 µm. Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abg8869
Perspectives
De cette façon, Xingchen Ji et ses collègues ont développé une source de lumière supercontinuum pour l'imagerie par tomographie par cohérence optique (OCT) dans une puce photonique compacte en nitrure de silicium directement pompée à 1300 nm, sans aucun filtrage optique pour façonner le spectre. La plate-forme a atteint une sensibilité élevée à faible puissance optique sur l'échantillon. En revanche, avec une source supercontinuum commerciale de pointe, les chercheurs ont généralement besoin de 100 fois plus de puissance optique pour atteindre une sensibilité comparativement similaire. La longueur d'onde centrale de 1300 nm utilisée dans cette étude est bien adaptée aux applications d'imagerie d'échantillons de tissus nécessitant des profondeurs de pénétration plus profondes, y compris le tissu mammaire humain, tissu cardiovasculaire et dans la recherche en dermatologie. L'équipe a ajusté l'ingénierie de la dispersion avec la photonique intégrée pour générer d'autres gammes spectrales aux échelles de 1 µm ou 800 nm. Ils ont fonctionnalisé la source de lumière supercontinuum miniature développée dans ce travail avec un laser de pompe femtoseconde hors puce, tandis que des efforts sont également en cours pour miniaturiser les lasers à mode verrouillé. Les efforts combinés de miniaturisation et de conditionnement de divers éléments constitutifs de l'OCT à l'aide de la photonique sur silicium ainsi que le développement de sondes d'imagerie peuvent faciliter la réalisation d'un système haute performance, système OCT à faible coût et entièrement miniaturisé.
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