I ricercatori hanno dimostrato che una tecnologia di rilevamento presa in prestito dall'ottica quantistica può essere utilizzata per eseguire la tomografia a coerenza ottica (OCT) con una potenza luminosa molto inferiore rispetto a quanto precedentemente possibile. Ciò potrebbe migliorare notevolmente la qualità di imaging disponibile da OCT utilizzato per applicazioni di imaging medico.

OCT utilizza la luce per fornire immagini 3D ad alta risoluzione in modo non invasivo. Sebbene sia comunemente usato per applicazioni oftalmologiche, L'OCT può essere utilizzato anche per visualizzare molte altre parti del corpo come la pelle e l'interno delle orecchie, bocca, arterie e tratto gastrointestinale.

"Per le applicazioni cliniche, essere in grado di eseguire OCT con scarsa potenza luminosa è fondamentale perché gli standard di sicurezza limitano i livelli di intensità luminosa utilizzabili, " ha affermato la leader del gruppo di ricerca Sylwia Kolenderska dell'Università di Auckland in Nuova Zelanda. "In alcuni casi, questi livelli di potenza non sono abbastanza alti per ottenere una buona qualità dell'immagine."

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori descrivono come hanno sostituito i rilevatori OCT standard con rilevatori superconduttori a fotone singolo (SSPD), una tecnologia utilizzata nell'ottica quantistica per distinguere i singoli fotoni. Questa configurazione ha permesso loro di ottenere una buona qualità dell'immagine con livelli di potenza fino a 1 milione di volte inferiori a quelli attualmente utilizzati negli strumenti OCT.

"Nel futuro, se la tecnologia di rilevamento del singolo fotone potesse essere resa molto più piccola e meno costosa, una linea di macchine diagnostiche portatili basate sull'imaging basato sulla luce potrebbe essere creata per scopi di autodiagnosi sicuri nel comfort della propria casa, ", ha detto Kolenderska.

Catturare singoli fotoni

I ricercatori hanno ideato il nuovo schema di rilevamento mentre sviluppavano un metodo OCT basato sulla luce quantistica per il quale gli SSPD erano centrali. Ben presto si sono resi conto che gli SSPD potevano essere utilizzati anche in una disposizione OCT standard per migliorare la sensibilità.

"Poiché gli SSPD possono rilevare singoli fotoni, uno strumento OCT che li utilizza richiede solo una piccola quantità di luce rispetto a quella attualmente utilizzata nelle moderne macchine OCT, " disse Kolenderska. "Eppure, produce ancora immagini ad alto dettaglio paragonabili ai sistemi OCT esistenti."

L'integrazione degli SSPD in un sistema OCT standard ha richiesto alcune modifiche alla configurazione ottica tipica. I moderni strumenti OCT funzionano discernendo i colori, o lunghezze d'onda, di luce riflessa da un oggetto. Questa discriminazione della lunghezza d'onda può essere eseguita utilizzando un singolo rilevatore di pixel mentre la sorgente luminosa produce una lunghezza d'onda alla volta oppure può essere eseguita con un reticolo di diffrazione che divide la luce in diverse lunghezze d'onda come un prisma e una telecamera che rileva queste lunghezze d'onda.

I ricercatori hanno usato una fibra invece di una grata per separare i diversi colori, che viaggiano ciascuno a velocità diverse lungo la fibra. All'estremità di uscita della fibra, hanno usato l'SSPD per catturare i diversi colori quando arrivano in momenti diversi. Ciò ha consentito di acquisire lo spettro luminoso per la ricostruzione delle immagini OCT.

La luce a bassa potenza produce immagini di alta qualità

Per dimostrare il nuovo schema di rilevamento, i ricercatori hanno acquisito immagini OCT di una pila di tre tipi di vetro e un pezzo di cipolla, che rappresentava un campione biologico. Hanno ottenuto immagini di buona qualità di entrambi i campioni a livelli di intensità luminosa di almeno cinque ordini di grandezza inferiori a quelli fissati dagli standard di sicurezza.

"I nostri risultati mostrano che il nuovo approccio di rilevamento potrebbe consentire l'imaging OCT di qualità di diverse parti del corpo, organi particolarmente sensibili come gli occhi, senza preoccuparsi di superare i livelli di sicurezza in termini di potenza luminosa, " disse Kolenderska. "In effetti, l'SSPD verrebbe danneggiato in modo irreparabile molto prima che venga raggiunto anche l'1% del livello di sicurezza."

I ricercatori hanno fatto, però, osservare gli artefatti, elementi che non corrispondono alla struttura del campione, nelle immagini OCT acquisite. Questi appaiono perché il sistema di rilevamento rileva tutti i tipi di interazioni tra fotoni, non solo quelli necessari per ricostruire un'immagine reale. Stanno sperimentando per trovare il modo migliore per prevenire questi artefatti senza compromettere la velocità di imaging, che sarebbe importante mantenere per le applicazioni cliniche.