BRPI0518363B1

BRPI0518363B1 - aparelho de interferência óptica

Info

Publication number: BRPI0518363B1
Application number: BRPI0518363-4A
Authority: BR
Inventors: Steven Smith David; Richard Hattersley Simon; Gilkes Andrew
Original assignee: Michelson Diagnostics Limited
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2018-04-10
Also published as: ES2560241T3; CA2588697C; WO2006054116A3; CN101115436B; AU2005305641B2; JP2008520992A; WO2006054116A2; EP1827206A2; GB0425419D0; CN101115436A; US20080192236A1; EP1827206B1; BRPI0518363A2; CA2588697A1; AU2005305641A1; US7859682B2

Abstract

aparelho de interferência ótica. um aparelho de interferência ótica para realizar tomografia de coerência ótica de domínio fourier incluindo meio para prover múltiplos feixes pelo que interferogramas sào gravados simultaneamente para uma pluralidade de diferentes profundidades focais dentro de uma substância a ser examinada, cada interferograma sendo provido por um dos múltiplos feixes. sào providos meios para combinar imagens derivadas a partir dos interferogramas para uma pluralidade de diferentes profundidades focais, pelo que uma única imagem pode ser construída com uma profundidade de campo aumentada. o espaçamento axial dos focos é calculado para considerar a faixa rayleigh da cintura focal na substância a ser examinada.

Description

(54) Título: APARELHO DE INTERFERÊNCIA ÓPTICA (51) Int.CI.: G01B 9/02; G02B 17/00; A61B 5/00 (30) Prioridade Unionista: 18/11/2004 GB 0425419.9 (73) Titular(es): MICHELSON DIAGNOSTICS LIMITED (72) Inventor(es): DAVID STEVEN SMITH; SIMON RICHARD HATTERSLEY; ANDREWGILKES

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APARELHO DE INTERFERÊNCIA ÓPTICA Antecedentes da Invenção [001] A presente invenção se refere a um aparelho de interferência e método, particularmente um aparelho de tomografia de coerência óptica, e método, e a uma sonda para uso no mesmo. Descreveremos uma sonda óptica e métodos associados para uso com uma técnica de geração de imagem conhecida como tomografia de coerência óptica (ACT).

[002] Em um arranjo preferido, a sonda óptica pode ser usada em um local que pode ser alcançado por um endoscópio rígido (ou boroscópio). Potenciais aplicações incluem exames médicos tais como colposcopia (triagem de câncer cervical) e laparoscopia (por exemplo, no diagnóstico e tratamento de endometriose). Em outro arranjo preferido, a sonda óptica pode ser usada em locais mais acessíveis que não exigem um endoscópio. Potenciais aplicações incluem dermatologia (por exemplo, no diagnóstico de câncer de pele).

[003] Exames médicos internos são realizados tipicamente mediante uso de um endoscópio no qual o olho ou uma câmera CCD forma a imagem da visão retransmitida a partir da extremidade distal de um eixo da sonda. Em um endoscópio flexível, a imagem pode ser retransmitida utilizando um feixe de fibras coerentes contendo milhares de fibras individuais; em uma sonda rígida ou boroscópio, a imagem pode ser retransmitida por intermédio de um sistema de lentes ou hastes. Efetivamente isso proporciona uma visão da superfície do alvo médico relevante, mas para haver mudanças na estrutura abaixo da superfície, é conveniente poder obter uma imagem em seção transversal a partir de dentro da massa do tecido. Essa é a capacidade que a OCT pode prover.

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Variantes de OCT foram descritas as quais podem extrair informação adicional, tal como velocidade do fluxo sangüíneo (Doppler) ou alinhamento de fibra muscular (polarização).

[004] OCT pode ser usado na parte visível do espectro para exame retinal, mas para obter profundidade de penetração razoável em outros tecidos, de dispersão mais intensa, é necessário mudar para comprimentos de onda do infravermelho.

[005] OCT se baseia no uso de interferometria, onde a luz no braço de medição de um interferômetro é passada para o objeto a ser examinado e uma porção é difundida de volta para o interferômetro. A luz no braço de referência é passada para um espelho em uma distância conhecida e um feixe de referência é refletido de volta. O feixe de medição disperso e o feixe de referência refletido são combinados, e a interferência entre esses dois feixes é detectada e usada para prover dados sobre o objeto examinado.

[006] Desse modo, tomografia de coerência óptica utiliza interferometria e as propriedades de coerência da luz para obter imagens de profundidade resolvida dentro de um meio de dispersão, proporcionando penetração e resolução que não podem ser conseguidas apenas com microscopia confocal. Imagens em seção transversal, clinicamente úteis, da retina e tecidos epiteliais têm sido obtidas até uma profundidade de 2-3 mm.

[007] Há três tipos principais de OCT que podem ser categorizados como a seguir:

OCT de domínio de tempo; essa utiliza uma fonte de coerência inferior e explora axialmente (em profundidade) mediante alteração do comprimento de percurso de referência do interferômetro;

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OCT de domínio espectral; essa utiliza uma fonte de espectro amplo (isto é, baixa coerência), um interferômetro estacionário e um espectrômetro. O espectro do interferograma é examinado pelo espectrômetro e a resposta axial é obtida como a transformação de Fourier do espectro da luz na saída do interferômetro;

OCT de domínio de freqüência; essa utiliza uma fonte de espectro estreito de freqüência varrida e um interferômetro estacionário. A resposta axial é obtida como a transformação de Fourier da intensidade de variação com o tempo da luz na saída do interferômetro.

[008] Utilizaremos a expressão “domínio de Fourier” para cobrir o domínio espectral assim como o domínio de freqüência.

[009] OCT de domínio de tempo (o tipo original, e atualmente o mais predominante) é limitado em velocidade de aquisição pela necessidade de varredura de profundidade mecânica, e tem desempenho de sinal/ruído relativamente insatisfatório.

[010] OCT de domínio de Fourier (domínio espectral ou de freqüência) possibilita captura mais rápida de imagens de alta resolução sem sacrificar a sensibilidade. O tempo para cada varredura axial (“varredura-A” na terminologia de varredura de ultra-som) é crucial em aplicações médicas in vivo devido à necessidade do paciente permanecer imóvel durante o tempo que leva para se desenvolver varreduras-A sucessivas em uma imagem de seção transversal (“varreduraB”).

[011] Contudo, OCT de domínio de tempo tem uma vantagem significativa: é fácil de combinar ajuste focal dinâmico na

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4/24 etapa com a varredura de retardo de tempo mecânico, proporcionando o tempo determinado ótimo na profundidade que está sendo sondada. Ao contrário, OCT de domínio Fourier adquire informação a partir da profundidade integral ao mesmo tempo, de modo que não é possível ajustar dinamicamente o foco para melhor resolução lateral.

[012] Há três dificuldades principais na provisão de um arranjo prático de uma sonda OCT na qual as exigências ópticas e médicas conflitantes são resolvidas.

[013] Em primeiro lugar, há dificuldades na obtenção de uma imagem que esteja adequadamente em foco em relação à profundidade da imagem (varredura A).

[014] Em segundo lugar, para prover uma imagem de varredura-B é necessário explorar lateralmente através da superfície. Existem modelos para sondas endoscópicas que incorporam um dispositivo de varredura miniatura na ponta do eixo de sonda, por exemplo, utilizando enrolamentos eletromagnéticos para mover a extremidade de uma fibra óptica. Essa abordagem tem a desvantagem de colocar as partes móveis, e a energia para acionar as mesmas, dentro do corpo do paciente, e pode aumentar a dificuldade de esterilização do equipamento.

[015] Em terceiro lugar, é desejável poder prover um canal de visualização de endoscópio, normal, de campo completo ao mesmo tempo.

[016] Através desse relatório descritivo faremos referência a óptico, luz e tais termos. Será entendido, contudo, que tais termos se referem à irradiação de comprimentos de onda do infravermelho, visível ou ultravioleta conforme apropriado.

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Sumário da Invenção [017] Para lidar com o primeiro problema, de acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção provê um aparelho de interferência óptica, e método, preferivelmente, mas não limitado a um aparelho de tomografia de coerência óptica e método no qual os interferogramas são gravados simultaneamente para uma pluralidade de diferentes profundidades focais dentro da substância a ser examinada.

[018] Desse modo, cada interferograma provê uma imagem de varredura-A a qual está apenas em foco nítido através de uma faixa de profundidade limitada (a profundidade do foco, também conhecida como a faixa de Rayleigh), mas mediante combinação dessas imagens para uma pluralidade de diferentes profundidades focais, uma única imagem de varredura-A pode ser construída com uma profundidade de campo aumentada.

[019] O interferômetro passa um feixe de medição para a substância a ser examinada e o aparelho pode prover um feixe de medição relevante para cada profundidade focal diferente. Se a luz é provida por uma fonte comum (como é mais conveniente) - cuja fonte comum pode ser um laser - então o meio óptico (tal como um divisor de feixe de amplitude) pode ser provido para gerar uma pluralidade de feixes. Componentes ópticos diferentes (por exemplo, elementos refrativos) são então exigidos na trajetória de cada feixe para colocar os mesmos em focos diferentes.

[020] A profundidade do foco de cada feixe de medição é proporcional ao quadrado do diâmetro do feixe de medição (isto é, proporcional à área selecionada). Portanto, podemos dividir em partes iguais o tamanho do ponto (dobrar a resolução natural) mediante provisão de quatro pontos em vez

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[021] O espaçamento axial dos focos é calculado de modo a considerar o comprimento de onda da luz no alvo (que é menor do que aquele no ar pelo fator do índice refrativo para a faixa de comprimentos de onda, relevantes).

[022] Para realizar uma varredura B, é necessário explorar relativamente os feixes e a superfície sendo examinada, e desse modo um meio de varredura é provido. Normalmente um meio de varredura é provido para explorar os feixes ao longo de uma linha através da superfície de substância sendo examinada. Para um modelo óptico conveniente, é desejável que uma pluralidade de feixes seja espaçada ao longo da linha de varredura até uma pequena extensão. Isso leva à informação para diferentes faixas de profundidade em um determinado local chegando em tempos ligeiramente diferentes durante a varredura lateral, mais propriamente do que simultaneamente, um efeito que tem que ser compensado na montagem da imagem combinada.

[023] Para lidar com o segundo problema, de acordo com um segundo aspecto, a presente invenção provê uma sonda óptica (a qual pode ser usada com aparelho de tomografia de coerência ou outros arranjos ópticos, por exemplo, um endoscópio de visualização no qual uma imagem é transmitida pela sonda para uma lente de visualização remota ou para uma câmera) na qual um scanner (o qual é preferivelmente um scanner de espelho pequeno giratório ou oscilante), é provido em uma extremidade proximal de uma sonda, e os componentes ópticos são providos dentro da sonda para retransmitir oticamente a varredura para, e a partir de, uma extremidade distal da sonda.

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7/24 [024] Desse modo, nenhuma parte móvel é colocada na extremidade distal do eixo de sonda e, portanto, onde ele é usado para exame médico interno, nenhuma parte móvel está dentro do paciente.

[025] A sonda compreende preferivelmente um eixo de sonda, e um cabo é preferivelmente provido na extremidade proximal do eixo de sonda, e preferivelmente o scanner é montado dentro do cabo. O eixo de sonda pode ser desprendido do cabo para limpeza (o eixo de sonda normalmente seria usado, contudo, dentro de um revestimento descartável). Observar que é preferível limitar o eixo a uma orientação específica, de modo que quaisquer defletores internos que possam ser montados dentro do eixo, ou inclinações de lente para eliminar reflexões, se alinharão corretamente com a direção de varredura. Devido ao fato do scanner não estar dentro do próprio eixo de sonda, diferentes variantes do eixo de sonda podem ser providas convenientemente, combinando com o cabo comum, permitindo diferentes comprimentos de eixo de sonda, e eixos de sonda com visadas inclinadas. Se o comprimento da trajetória de medição óptica através do eixo de sonda for alterado, uma compensação correspondente na trajetória de referência será exigida.

[026] Para lidar com o terceiro problema, de acordo com um terceiro aspecto, a presente invenção provê um aparelho de interferência e método tal como um aparelho de tomografia de coerência óptica para examinar uma substância, o aparelho incluindo:

um aparelho de visualização, um aparelho de interferência, um eixo de sonda incluindo componentes ópticos de

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8/24 retransmissão nos quais visualização (iluminação e geração de imagem) é provida através do mesmo componente óptico de retransmissão como são usados para a interferometria (por exemplo OCT), meio para passar um feixe de interferômetro (por exemplo, OCT) ao longo do eixo de sonda para a sua extremidade distal para a substância a ser examinada e para passar o feixe de interferômetro disperso (OCT) de volta ao longo do eixo de sonda para o aparelho de interferência, uma fonte de luz visível (tal como uma fonte de luz branca), meio para passar a luz visível a partir da fonte de luz visível ao longo do eixo de sonda para a sua extremidade distal para iluminar a substância a ser examinada, preferivelmente de forma uniforme, e para passar uma sua imagem de volta ao eixo de sonda para um detector de imagem do aparelho de visualização, meio para separar a imagem de retorno a partir da luz visível de saída, e um divisor de feixe posicionado entre a extremidade proximal do eixo de sonda, e o aparelho de visualização e aparelho de interferência, respectivamente, para separar os feixes de interferômetro (em ambas as direções) a partir dos feixes de luz, visíveis (em ambas as direções) pelo que a mesma parte da substância pode ser visualizada utilizando a luz visível e examinada utilizando os feixes de interferência ao mesmo tempo.

[027] O divisor de feixe é preferivelmente um divisor de feixe espectral.

[028] Um scanner é provido preferivelmente para explorar o feixe OCT através da substância a ser examinada e nesse

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9/24 caso o divisor de feixe é provido preferivelmente entre o scanner e o eixo de sonda, de modo que nesse caso, o scanner é considerado como sendo parte do aparelho de interferência. A fonte de luz visível é preferivelmente uma fonte LED para prover iluminação de luz branca, e o detector de geração de imagem é preferivelmente uma câmera CCD em cores para receber a imagem refletida da superfície da substância sendo examinada.

[029] Tal arranjo permite que o clínico veja a superfície do tecido, tanto quando a sonda está próxima, acima da mesma, como quando a sonda está em contato com ela. O clínico pode utilizar o dispositivo de visualização para selecionar uma parte específica da superfície para exame mais detalhado em profundidade por intermédio do aparelho OCT, então pressionar a extremidade distal do eixo de sonda para contato com aquela parte da superfície enquanto continua a observála.

[030] O eixo de sonda geralmente será rígido uma vez que isso simplifica a óptica, mas em algumas circunstâncias pode ser pelo menos parcialmente flexível ou articulado.

Descrição Resumida dos Desenhos [031] Uma modalidade preferida da invenção será descrita agora como exemplo e com referência aos desenhos anexos nos quais:

A Figura 1 é um diagrama de blocos mostrando os componentes principais do aparelho de tomografia de coerência óptica,

A Figura 2 mostra uma perspectiva da sonda com algum detalhe interno,

A Figura 3 é um diagrama óptico de um aparelho de

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10/24 tomografia de coerência óptica compreendendo uma sonda de quatro pontos usada para OCT de domínio de freqüência de acordo com a invenção (para clareza, algumas dobras das trajetórias de luz foram removidas),

A Figura 4 é uma seção axial ampliada do método de geração de feixes múltiplos,

A Figura 5 é um detalhe ampliado dos feixes de laser de mensuração na extremidade distal da sonda, mostrando separação de foco axial e lateral,

A Figura 6 é uma seção axial do conjunto de sonda incorporando meio óptico de visualização incluindo uma câmera e componentes ópticos para prover uma visualização da superfície sendo examinada, a figura mostrando a trajetória dos feixes OCT a laser,

A Figura 7 é uma seção axial do conjunto de sonda da Figura 3 mostrando a trajetória óptica de luz de iluminação excluindo os feixes de laser,

A Figura 8 é uma vista expandida do método de misturar a trajetória de luz de iluminação com a trajetória de luz de visualização,

A Figura 9 mostra a trajetória de luz de geração de imagem a partir da extremidade distal da sonda até a câmera,

A Figura 10 é um detalhe ampliado da estrutura de espelho de referência de múltiplas facetas,

A Figura 11 é um detalhe ampliado dos feixes de laser interferentes e o feixe de equilíbrio formando focos de imagem no plano de detector,

A Figura 12 mostra um detalhe ampliado das áreas sensíveis no plano de detector, e

A Figura 13 mostra uma vista em perspectiva do aparelho

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OCT.

Descrição das Modalidades Preferidas

Descrição Geral [032] A Figura 1 mostra um diagrama de blocos do aparelho OCT indicando um laser 10, provido normalmente remotamente a partir da sonda 1, mas em algumas circunstâncias dentro da sonda 1. Um feixe de laser 11 a partir do laser 10 é passado para a sonda, normalmente através de uma fibra óptica de modo único 2. O laser 10 provê um espectro varrido através de uma faixa de comprimentos de onda de pelo menos 50 nm, dentro de uma região do infravermelho onde a absorção de tecido é minimizada. Um espectro mais amplo melhora a resolução de profundidade. A sonda 1 compreende um interferômetro de múltiplos feixes 41, um scanner 5, um eixo de sonda 6 e câmera com sistema de iluminação 50, 52, 53, e outros componentes detalhados abaixo. O sistema de processamento e exibição 9 e tecido sob exame 33 são externos à sonda 1.

[033] A Figura 2 mostra mais detalhe da sonda 1. A sonda 1 compreende um cabo 3 contendo um interferômetro de múltiplos feixes 41 e scanner 5, e um eixo de sonda 6. A sonda 1 é construída de modo que o eixo 6 pode ser desprendido do cabo 3. O eixo 6 é limitado a uma orientação específica, de modo que uma lente de saída que emite um conjunto de feixes múltiplos e a qual é inclinada em um pequeno ângulo para eliminar reflexões, se alinha corretamente com a direção de varredura. Outros componentes descritos abaixo foram omitidos a partir desse diagrama com a finalidade de clareza.

[034] Para a aplicação específica de geração de imagem da cérvice uterina, dimensões de eixo de sonda adequadas são

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12/24 de 16 mm de diâmetro na extremidade proximal 7 afilando-se para 12 mm de diâmetro na extremidade distal 8 se exigido, e na região de 200 mm de comprimento. O comprimento da linha de varredura é feito o maior possível, dentro da limitação do diâmetro de eixo, e no arranjo descrito é de 6,4 mm. O ângulo de cone dentro do tecido é de aproximadamente f/8, o qual proporciona uma profundidade de foco de aproximadamente 0,3 mm. Um feixe de múltiplos feixes utilizado está essencialmente em foco a partir de 0 a 0,3 mm de profundidade, o próximo feixe de 0,3 mm a 0,6 mm e assim por diante até 1,2 mm: o diâmetro de feixe da pior hipótese no tecido sob exame (isto é a largura de um ponto produzido pelo feixe) é de aproximadamente 10 pm FWHM.

[035] A extremidade distal 8 do eixo de sonda é convexa para aplicar pressão uniforme sobre a face frontal inteira para o tecido mole sob exame, independente dos pequenos desvios angulares a partir da perpendicular à superfície. Alguns outros componentes internos incluindo chapa de vibração 13, lente 25, espelho de dobrar 26, espelho de varredura 27 e divisor de feixe espectral 28 são mostrados para facilitar a orientação.

Descrição Óptica [036] Com referência à Figura 3, o laser provê um feixe de saída 11, através de fibra de modo único 2, a qual é passada para uma lente convergente 12. Após passar através da lente convergente, o feixe entra no divisor de feixe de chapa de vibração 13. Pode ser conveniente interpor componentes ópticos adicionais no feixe 11 (entre a saída a partir da fibra - a qual pode já estar colimada - e a chapa de vibração) de modo que o diâmetro do feixe pode ser

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13/24 ajustado e, portanto, a convergência desejada pode ser produzida no ponto de medição. A chapa de vibração 13 divide o feixe 11 em um número de feixes mais fracos que são transmitidos progressivamente; a operação detalhada da chapa de vibração é explicada com referência à Figura 4.

[037] A Figura 4 é um diagrama óptico mostrando a operação de um par de superfícies de reflexão parcial e integral na formação de uma pluralidade de feixes paralelos. Esse arranjo é conhecido como chapa de vibração 13. O aparelho compreende uma chapa de vidro de lados paralelos 42, a qual na face de entrada 44 tem um revestimento refletivo de alta eficiência para prover uma superfície refletiva sobre a área 43, deixando uma área não-refletiva 45 a qual pode ser não-revestida ou revestida com antireflexão (AR) para melhor desempenho. A transição entre essas duas áreas é acentuada. A face de saída 46 é revestida sobre a superfície inteira com um revestimento parcialmente refletivo para prover uma superfície parcialmente refletiva 47 de tal modo que tipicamente 8% a 25% da luz incidente é transmitida, e o restante é refletido.

[038] O feixe de laser que chega 11 passa através da área não-refletiva 45 da face 44 (próximo ao limite entre a superfície de reflexão 43 e a superfície não-refletiva 45). Conseqüentemente, apenas uma pequena quantidade de energia é perdida na entrada para a chapa 42 (isto é, a reflexão Fresnel se não houver revestimento AR nessa parte da chapa, ou menos se revestida AR).

[039] O feixe de laser 11 se propaga através da chapa

42, e nesse exemplo 13% são transmitidos na superfície parcialmente refletiva 47 para prover o primeiro feixe 14,

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14/24 e o restante é refletido de volta em direção à superfície de reflexão 43 .

[040] A chapa 42 é inclinada a partir de ortogonal ao feixe de entrada 11 de tal modo que o feixe refletido a partir da superfície parcialmente refletiva 47 é dirigido para a superfície de reflexão de alta eficiência 43. Conseqüentemente o feixe é então refletido de volta (aproximadamente 100% da energia é refletida) para a superfície parcialmente refletiva 47, onde 13% adicionais da energia de feixe restante são transmitidos para prover o segundo feixe 15. Desse modo, uma série de feixes de energia decrescente é emitida a partir da chapa, paralelos entre si.

[041] Se o feixe de entrada 11 na chapa de vibração é arranjado de modo a ser convergente mais propriamente do que colimado (por exemplo, pegando-se um feixe de laser colimado e passando o mesmo através de lentes convergentes 12), então os feixes 14, 15, etc. saindo da chapa de vidro 42 focalizarão em posições axiais diferentes em relação uma às outras, uma vez que cada feixe sucessivo segue uma trajetória mais longa através da chapa 42. A distância entre as posições focais dependerá da espessura, ângulo de inclinação e índice refrativo da chapa 42. Alternativamente, o conjunto de chapa de vibração pode compreender uma superfície integralmente refletiva e parcialmente refletiva, separadas por ar, ao contrário de vidro. Além disso, o feixe de entrada 11 pode ser divergente mais propriamente do que convergente com mudanças adequadas nos componentes ópticos.

[042] Os cinco feixes mais fortes, 14 a 18, podem se propagar progressivamente, o restante é bloqueado por uma chapa opaca 19.

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15/24 [043] Retornando à Figura 3, os feixes 14 a 18 a partir da chapa de vibração 13 são passados para um divisor de feixe 20 o qual divide os feixes em feixe de mensuração 14M a 18M e feixes de referência 14R a 18R. O feixe de referência 18R é manipulado da mesma forma que os feixes de referência 14R a 17R, mas não é usado para interferir com um feixe de mensuração, mais propriamente ele provê compensação para variação de amplitude.

[044] Os feixes de referência 14R a 18R são refletidos pelo divisor de feixe 20, passam através das lentes 21 e 22, refletem em uma estrutura de espelho multifacetada 23, então tornam a passar através das lentes 22 e 21, e tornam a passar através do divisor de feixes 20. A estrutura de espelho multifacetada 23 tem uma superfície de reflexão para cada um dos feixes de referência, as superfícies de reflexão individual são ajustadas nos focos dos feixes respectivos. Pode ser vantajoso ajustar os ângulos das superfícies de reflexão de um deles para o próximo para garantir que os feixes 14R a 18R sejam precisamente retro-refletidos. Alternativamente, a energia e a posição das lentes 21 e 22 podem ser selecionadas de modo que os eixos dos feixes de referência 14R a 18R são paralelos entre si. Observar que a trajetória óptica de referência é mostrada no diagrama como substancialmente mais curta do que a trajetória óptica de mensuração. Na prática, essas trajetórias seriam muito similares em comprimento, porque em um sistema OCT de domínio de freqüência a freqüência de franja devido a uma reflexão alvo é proporcional à diferença de trajetória. Mesmo se o sistema eletrônico pudesse operar com largura de banda ilimitada, haveria uma limitação na manutenção de

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16/24 comprimentos de trajetória similares, uma vez que a diferença dos comprimentos de trajetória deve ser menor do que o comprimento de coerência do laser 10 para que ocorra interferência. Outro critério para interferência adequada entre os feixes de mensuração e de referência é que a convergência e as posições focais dos feixes de referência devem combinar com aquelas dos feixes de medição nos detectores. Para conseguir isso, é preferível introduzir componentes ópticos de reflexão ou refração adicionais (tal como um relé Offner) na trajetória de referência para retransmitir os pontos focais em ou próximo ao divisor de feixe 20 para a superfície de reflexão multifacetada 23.

[045] Os feixes de mensuração 14M a 17M deixam o divisor de feixe 20, e o feixe mais fraco 18M é bloqueado por uma chapa opaca 24. Eles são normalmente colimados pela lente 25, mas haverá uma ligeira diferença entre a convergência dos quatro feixes uma vez que o comprimento da trajetória entre as lentes 12 e 25 é diferente para cada feixe. A separação entre as duas lentes é ajustada de tal modo que o comprimento da trajetória óptica média resultaria em um feixe colimado. Os eixos dos quatro feixes 14M a 17M agora convergem em direção uns aos outros. Os feixes são refletidos em 90° ortogonal ao plano do diagrama no espelho 26, e se propagam progressivamente, com os eixos se encontrando em um espelho de varredura 27.

[046] O espelho de varredura 27 é acionado para girar nominalmente em torno de um eixo paralelo ao eixo original do feixe 11, paralelo ao plano do diagrama, varrendo os feixes de medição 14M a 17M. Um divisor de feixe adicional é provido para refletir os feixes de mensuração 14M a 17M

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17/24 ao longo de um novo eixo nominalmente paralelo ao eixo de feixe original do feixe 11. A chapa de divisor de feixe tem um revestimento para refletir seletivamente irradiação IR tal como seria usado para os feixes 14M a 17M, e para transmitir luz branca visível.

[047] Um eixo de sonda 6 é provido. O mesmo compreende um tubo de metal montando diversos componentes ópticos passivos (componentes ópticos de retransmissão) como será descrito posteriormente.

[048] O primeiro grupo de lentes (entrada) 30 no eixo de sonda 6 forma um foco em 31 de cada um dos feixes de mensuração de varredura 14M a 17M dentro do eixo de sonda; outras lentes retransmitem os focos para um ponto de foco exatamente além da última lente 32 no eixo de sonda, isto é, exatamente fora da extremidade distal do eixo de sonda. Devido ao fato dos feixes de medição 14A a 17M entrarem no eixo de sonda com uma divergência ligeiramente diferente entre si, seus focos finais 14F a 17F fora do eixo de sonda 6 para os feixes respectivos 14M a 17M como mostrado na Figura 5, serão deslocados axialmente em relação uns aos outros, permitindo que sinais ótimos sejam derivados a partir de uma profundidade de tecido diferente (o tecido é indicado em 33).

[049] Será visto que a última lente 32 forma a extremidade distal do eixo de sonda. Em uso, a extremidade distal do eixo de sonda formada pela lente 32 será colocada em contato como tecido de superfície médica 33 a ser examinado, opcionalmente através de um revestimento descartável transparente fino.

[050] Como mostrado na Figura 5, os focos 14F a 17F dos

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18/24 quatro feixes de mensuração 14M a 17M incidirão dentro do tecido a ser examinado. Isso permite a provisão de quatro feixes de laser que são focalizados em profundidades diferentes, e embora cada feixe rapidamente saia de foco à medida que a profundidade varia, é possível cobrir todas as profundidades de tecido de interesse dentro da faixa focal de um dos quatro feixes. O espaçamento axial dos quatro focos é calculado para considerar a faixa de Rayleigh da cintura focal no tecido a ser examinada.

[051] Além disso, devido ao fato dos quatro feixes 14M a 17M atingirem o espelho de varredura 27 em ângulos ligeiramente diferentes, os quatro focos 14F a 17F fora do eixo de sonda também são separados ao longo da linha de varredura por uma distância indicada em A na Figura 5. A distância A é pequena (da ordem de 0,2 mm) e assim o tempo entre cada um dos feixes varrendo através de um ponto específico no tecido sob exame é pequeno (uma pequena percentagem do tempo de varredura total) e assim o tecido sob exame não deve mudar entre a passagem de cada feixe.

[052] Claramente, como indicado acima, é possível ter mais ou menos do que quatro feixes os quais têm focos em uma faixa de profundidades dentro do tecido. Será observado que os focos dos quatro feixes são deslocados tanto lateralmente como axialmente de um para o próximo.

[053] Após dispersão a partir do tecido alvo, os componentes 14MR a 17MR dos quatro feixes são coletados de modo confocal de volta através do eixo de sonda. Esses feixes de retorno 14MR a 17MR têm a varredura desfeita pelo espelho de varredura 27 e passam de volta através da lente 25.

[054] Uma parte de cada um dos feixes 14MR a 17MR é

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19/24 refletida pelo divisor de feixe 20 e combinada com o feixe de referência correspondente 14R a 17R. Os feixes combinados 14MR/14R a 17MR/17R passam através de uma lente 34 a qual forma os pontos focais de cada um dos feixes combinados no detector 35. Será visto que o plano do detector é inclinado em relação ao ângulo ortogonal dos eixos dos feixes incidentes combinados a partir da perpendicular para acomodar o deslocamento focal originado a partir da chapa de vibração 13. Interferência entre feixes correspondentes ocorrem na superfície do detector 35. O detector 35 consistirá em um número de áreas sensíveis discretas, uma para cada um dos feixes combinados, e uma área adicional para o feixe de referência 18R, a qual é usada como um sinal de equilíbrio.

[055] O divisor de feixe 20, estrutura de espelho de referência 23, e áreas sensíveis de detector individual 36 a 39, e componentes ópticos formam um interferômetro Michelson 41. O arranjo de interferômetro permite o uso de OCT e especificamente os componentes ópticos são providos nessa modalidade preferida para usar OCT de domínio de freqüência.

[056] Será visto que se o divisor de feixe 20 é um divisor de feixe de polarização, e chapas de um quarto de onda são intercaladas em ambas as trajetórias de mensuração e de referência de tal modo que os feixes de mensuração 14M a 17M, e os feixes de referência 14R a 18R passam e tornam a passar através das chapas de onda, e se um componente de análise adicional for acrescentado à trajetória combinada de tal modo que um componente de polarização comum de cada um dos feixes é selecionado, então o conjunto terá uma

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20/24 sensibilidade modificada a quaisquer propriedades polarizadas do tecido sob exame.

[057] Detalhes adicionais são mostrados na Figura 6 e 7 para prover um canal de visualização.

[058] Na Figura 6, a trajetória dos feixes de laser OCT 14M a 17M é mostrada. Os feixes de laser 14M a 17M são traçados a partir das lentes 25 (não mostradas) por intermédio do espelho 26 para o espelho de varredura 27, e através do tecido na extremidade distal do eixo de sonda 6. Um chip de câmera 48, sistema de lente 49 e chapa de divisor de feixe de iluminação 50 também são mostrados.

[059] A Figura 7 mostra os mesmos componentes que a Figura 6, mas os feixes de iluminação 51 e a fonte de luz branca 52 são mostrados, e os feixes de laser OCT são omitidos para clareza. A Figura 8 mostra uma vista adicional da chapa de divisor de feixe de iluminação 50, a qual é uma superfície de reflexão com uma abertura central. Luz a partir da fonte de luz branca 52 é amplamente refletida pela chapa de divisor de feixe de iluminação 50, embora aquelas partes do feixe que passam através da abertura central 54 sejam perdidas.

[060] O aparelho das Figuras, 6 e 7, inclui um divisor de feixe espectral 28 o qual separa a luz de laser OCT da luz branca. A chapa de divisor de feixe de iluminação 50 e a fonte de iluminação 52 são posicionadas para direcionar a luz visível a qual é preferivelmente luz branca a partir da fonte de luz de iluminação 52 através da chapa de divisor de feixe 28, e para passar um feixe 51 de luz branca a partir da fonte 52 ao longo do eixo óptico dentro do eixo de sonda 6. Um LED de luz branca é uma fonte de iluminação adequada

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52, mas outros são considerados. Como a superfície de tecido 33 estará oticamente em dispersão, uma parte componente do feixe de luz branca refletida retornada 51 passará através do divisor de feixe espectral 28. Um componente menor desse feixe retornado passará através da abertura 54 na chapa de divisor de feixe de iluminação 50 para uma câmera 53 a qual inclui um detector CCD 48. Isso é ilustrado na Figura 9.

[061] Como é evidente a partir das Figuras 6 e 7, o divisor de feixe espectral 28 permite que um feixe de iluminação 51 seja passado para a superfície sob exame, o feixe de iluminação sendo misturado no canal de visualização pelo divisor de feixe 50.

[062] Para preferência, a pupila de entrada 50 da câmera estará em um ponto conjugado com a superfície refletiva do espelho de varredura 27, e também coincidente com a abertura da chapa de divisor de feixe de iluminação 50.

[063] A câmera 53 inclui uma ou mais lentes 49 para formar uma imagem de uma superfície a ser examinada. A câmera pode ser usada para examinar a superfície 33 quando ela está em contato com a extremidade distal do eixo de sonda. Adicionalmente, se a profundidade de foco da câmera é suficiente, ela pode ser usada quando a extremidade distal é espaçada a partir da superfície permitindo que o usuário realize uma pesquisa da superfície antes de selecionar uma parte específica a ser examinada pela OCT.

[064] Com referência à Figura 9, a imagem é focalizada quer seja na superfície de sensor de imagem 48 da câmera 63, ou em um arranjo alternativo, uma superfície de extremidade de um feixe de fibras coerentes 55 que conduz a um CCD remoto.

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22/24 [065] Será observado que o meio óptico de visualização e o aparelho OCT usam a mesma lente de extremidade distal 32 e assim a parte do tecido vista pela câmera 53 e pelo interferômetro OCT 41 será a mesma. Podem ser providos meios para indicar na imagem exibida a posição da linha de varredura-B da OCT.

[066] A Figura 10 mostra uma vista ampliada da estrutura de espelho de referência 23. A Figura 11 mostra os feixes combinados 14MR/14R a 17MR/17R, e o feixe de equilíbrio 18R formando os focos individuais na superfície de detector 35. A Figura 12 mostra o arranjo das áreas sensíveis do plano de detector, uma para cada feixe combinado, e uma para o feixe de equilíbrio 18R.

[067] A modalidade até aqui descrita utiliza um feixe de equilíbrio único, e um sinal de compensação derivado a partir desse feixe é aplicado eletronicamente a cada um dos (quatro) sinais de interferência. Uma modalidade alternativa é a de prover um feixe de equilíbrio separado combinado oticamente com cada feixe de referência; os feixes emparelhados são então detectados utilizando uma configuração de detector equilibrado.

Descrição do Processamento [068] O laser provê um sinal de acionamento para o sistema de processamento no início de cada varredura de freqüência. O sistema de processamento digitaliza os sinais de detector análogo e armazena os dados (tipicamente 1.024 pontos) para a varredura, que proporciona a informação para reconstruir uma varredura-A. O sistema de processamento pode capturar os dados brutos para muitas varreduras-A (cobrindo o movimento inteiro do espelho de varredura) antes de

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23/24 processar os mesmos em uma imagem de varredura-A, ou alternativamente a captura e o processamento das varredurasA podem ser sobrepostas em tempo.

[069] Uma fonte de laser ideal para OCT de domínio de freqüência varreria em uma taxa constante de freqüência óptica/tempo, e proporcionaria um nível constante de energia durante a varredura. Neste caso seria apenas necessário realizar uma transformação de Fourier discreta dos dados brutos (com uma função de janela apropriada, por exemplo, Hanning) para obter o perfil de varredura-A.

[070] Para fontes de laser práticas, a taxa de varredura varia através do espectro, e assim também a energia. Se incorretos, esses efeitos resultariam em imagens borradas. Conseqüentemente os dados brutos são corrigidos mediante reamostragem em intervalos desiguais utilizando um algoritmo de interpolação cúbica local, e mediante reescalonamento mediante fatores variados. A transformação discreta de Fourier é então realizada como acima.

[071] A calibração para as correções acima é obtida mediante uso de um bloco de vidro liso como um alvo, para gerar uma única reflexão de aproximadamente 4% da energia incidente (o espelho de varredura é estacionário, ajustado na posição central, durante calibração). A diferença de trajetória é ajustada para proporcionar um número adequadamente grande de franjas (por exemplo, 100 através da varredura), e a forma de onda bruta é capturada. Após remover qualquer resíduo de componente, o computador determinar precisamente a posição dos cruzamentos zero de franja utilizando um algoritmo de interpolação cúbica local e, portanto, obtém o arranjo exigido de posições de

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24/24 reamostragem. O mesmo também determina o invólucro das franjas e, portanto, obtém o arranjo exigido de valores de redimensionamento. Quando o sistema é corretamente calibrado, o bloco de vidro proporciona um único pico agudo na varredura-A.

[072] A Figura 13 mostra uma vista em perspectiva do aparelho compreendendo um alojamento 100 montando um sistema de computador para analisar os interferogramas e exibir os resultados em uma tela 101. O alojamento 100 também monta o laser, cujo feixe de saída é passado para a sonda 1 por intermédio da fibra óptica de modo único flexível 2.

[073] A invenção não é limitada aos detalhes dos exemplos descritos.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho de interferência óptica para realizar tomografia de coerência óptica de domínio Fourier caracterizado pelo fato de incluir meio (13) para prover múltiplos feixes (14, 15, 16, 17) pelo que os interferogramas são gravados simultaneamente para uma pluralidade de diferentes profundidades focais dentro de uma substância a ser examinada (33), cada interferograma sendo provido por um dos múltiplos feixes (14, 15, 16, 17), no qual o meio para prover múltiplos feixes (13) compreende meio (45) para receber um único feixe (11) e meio para dividir o único feixe (11) em múltiplos feixes (14, 15, 16, 17), e no qual o meio para gerar múltiplos feixes compreende uma superfície de reflexão (43) e uma superfície de reflexão parcial (47) pelo que um feixe recebido passa para a superfície de reflexão parcial (47) e uma proporção do feixe passa através da superfície de reflexão parcial (47) para formar um primeiro feixe (14) e outra proporção é refletida para superfície de reflexão (43) onde ela é refletida de volta para a superfície de reflexão parcial (47) e uma proporção do feixe passa através da superfície de reflexão parcial (47) para formar um segundo feixe (15), a superfície de reflexão parcial (47) e a superfície de reflexão (43) sendo dispostas de modo que o primeiro (14) e o segundo (15) feixe são deslocados paralelos um ao outro, feixes sucessivos adicionais (16, 17) dos múltiplos feixes (14, 15, 16, 17) sendo providos por reflexões e transmissões na superfície de reflexão (43) e na superfície de reflexão parcial (47).
2. Aparelho de interferência óptica, de acordo com a

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2/4 reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é provido meio (9) para combinar imagens derivadas a partir dos interferogramas para uma pluralidade de diferentes profundidades focais, pelo que uma única imagem pode ser construída com uma profundidade de campo aumentada.
3. Aparelho de interferência óptica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o interferômetro passa um feixe de mensuração (14M, 15M, 16M, 17M) para a substância a ser examinada (33) e provê um feixe de mensuração relevante para cada profundidade focal diferente.
4. Aparelho de interferência óptica, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os focos dos múltiplos feixes são deslocados tanto lateralmente como axialmente de um deles para o próximo.
5. Aparelho de interferência óptica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a superfície de reflexão (43) e a superfície parcialmente refletindo (47) compõe uma chapa de vibração, e no qual o feixe de entrada (11) é um feixe convergente ou divergente introduzido na chapa de vibração de modo que cada um dos múltiplos feixes de saída (14, 15, 16, 17) a partir da chapa de vibração é trazido para um foco axial diferente.
6. Aparelho de interferência óptica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que são providos quatro feixes (14, 15, 16, 17).
7. Aparelho de interferência óptica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o espaçamento axial dos focos é calculado de modo a considerar a faixa Rayleigh da cintura focal na

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3/4 substância a ser examinada (33).
8. Aparelho de interferência óptica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o meio de varredura é provido para varrer os múltiplos feixes em ângulos retos em relação aos feixes (14, 15, 16, 17) ao longo de uma linha que passa através dos múltiplos feixes.
9. Aparelho de interferência óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir meio (13) para prover múltiplos feixes (14, 15, 16, 17) pelo que os interferogramas são gravados simultaneamente para uma pluralidade de profundidades focais diferentes dentro de um substrato a ser examinado (33), interferograma sendo provido por um dos múltiplos feixes (14, 15, 16, 17), no qual é provido um divisor de feixe (20) o qual divide cada um dos múltiplos feixes (14, 15, 16, 17) em um feixe de mensuração (14M, 15M, 16M, 17M) e um feixe de referência (14R, 15R, 16R, 17R), e uma estrutura de espelho multifacetada (23) tendo uma superfície refletida para cada um dos feixes de referência (14R, 15R, 16R, 17R), no qual cada uma das superfícies refletidas é ajustada no foco do feixe de referência respectivo (14R, 15R, 16R, 17R).
10. Aparelho de interferência óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir meio para prover múltiplos feixes (14, 15, 16, 17) pelo que interferogramas são gravados simultaneamente para uma pluralidade de diferentes profundidades focais dentro de uma substância a ser examinada (33), cada interferograma sendo provido por um dos múltiplos feixes (14, 15, 16, 17), compreendendo ainda meio para prover um feixe de equilíbrio comum (18) para os múltiplos feixes (14, 15, 16, 17) e um detector de

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4/4 feixe de equilíbrio comum (35) arranjado para emitir, em uso, um sinal de compensação derivado a partir do feixe de equilíbrio comum (18), e meio para prover compensação para variação de amplitude de laser mediante aplicação do sinal de compensação a cada um dos interferogramas.

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1/13 <2

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Çanaldedetecção omitido paraclareza