NO20013327L - Måleinstrument for optisk måling av hastighet og retninger på partikler - Google Patents

Description

MÅLEINSTRUMENT FOR OPTISK MÅLING AV HASTIGHET OG RETNINGEN PÅ PARTIKLER

Denne oppfinnelsen angår et måleinstrument for optisk måling av hastighet og retningen på partikler, særlig i et øye, omfattende en romlig koherent lyskilde og optiske innretninger for å fokusere lys fra denne mot partiklene, samt optiske innretninger for å fokusere lys spredt fra partiklene mot en detektor.

Med partikler i denne sammenhengen menes generelt objekter, for eksempel molekyler, blodlegemer, celler, spredende flateorganer og små objekter, som sprer det anvendte lyset.

Den foreliggende oppfinnelsen har bakgrunn i optisk koherens tomografi (OCT) som kan måle refleksjoner fra spredende partikler med en oppløsning på noen mikrometer både transversalt og i dybde [1,4]. Ved å kombinere OCT med Dopplerteknikker (DOCT) kan bevegelser til partiklene i målevolumet bestemmes [2,5,6,7], slik at strømningsprofilen kan finnes. I et slikt DOCT system kan bare aksiale bevegelser (langs linsens optiske akse) måles. Bevegelser normalt på optisk akse vil bare gi en spektral forbredning av signalet, noe som gir begrensede muligheter til å bestemme strømningshastigheter normalt på optisk akse, dvs at man oppnår en indikasjon på hastigheten, men ikke om strømnings-retningen. Et OCT oppsett omfattende fire detektorer er blitt presentert for å redusere innvirkningen av speckle i avbildningen [3,8].

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for å gjøre vektorielle målinger på partikkelstrømmer. Slike målinger kan gjøres med vanlig Laser Doppler Velocimetri (LDV), men med lav punkt-oppløsning, slik at metoden ikke er anvendbar i en del tilfeller.

Det er et særlig formål med den foreliggende oppfinnelsen å muliggjøre mikroskopiske målinger av strømning, spesielt ved måling av mikrosirkulasjon i retinale blodkar. I dette tilfellet vil lys sendes inn og fanges opp via øyets pupille. Kommersielt utstyr basert på konfokal LDV eksisterer [9], men har en del ulemper som begrenser anvendeligheten. Blant annet er dybdeoppløsningen dårlig (300-400/im) . DOCT teknikken har god dybdeoppløsning og anvender dessuten referansestråle som gir mulighet til å bruke fasen til signalet for å finne frekvensskiftet.

Et annet formål med oppfinnelsen er å muliggjøre målinger av vibrasjonene til partikler og små objekter. Målesystemet gir mulighet for å bestemme vibrasjonsfrekvens, amplitude og fase i tillegg til vibrasjonens retningsvektor i rommet. Konfigurert som mikroskop vil metoden da kunne brukes til å måle vibrasjoner og defomasjon av små partikler eller celler.

Oppfinnelsen angår således et måleinstrument slik som angitt ovenfor, og som er kjennetegnet slik som det fremgår av det selvstendige kravet.

Fortrinnsvis omfatter instrumentet ifølge oppfinnelsen en såkalt kvadrant-detektor slik at lysstrålen fra stråledeleren detekteres i fire ulike detektorelementer. Ved å sammenligne interferenssignalene fra de 4 detektorsegmentene kan bevegelsene til en spredende partikel måles vektorielt, altså ikke bare i z-retning, men også i x- og y-retning. Frekvensskiftet til signalet på de forskjellige segmentene kan da sammenlignes for å finne hastighetskomponentenes størrelse og retning i forhold til optisk akse. Ved å sammenligne fasene til interferenssignalene i stedet for å se på frekvensskiftet kan layere hastighet måles mer nøyaktig.

Oppfinnelsen er beskrevet nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempel.

Figur 1 viser en foretrukket utførelsen av oppfinnelsen

omfattende et Michelson interferometer.

Figur 2 illustrerer spredningsgeometrien grafisk.

Figur 3 viser skjematisk spekteret Si (f) til detektorstrømmen fra de fire detektorene i figur 1.

I figur 1 vises et enkelt Michelson interferometer bestående av en referansegren 11 og en objektgren 12, samt en stråledeler 13 som deler strålen fra lyskilden16 og rekombinerer strålene fra de to grenene i retning av detektoren 14. Noe av lyset fra kilden 16 fokuseres på objektet 15. Lys som reflekteres fra objektet kombineres med referanselyset og sendes inn på detektoren 14. Detektoren 14 består i figuren av fire kvadranter som hver kan detektere det innfallende lyset uavhengig av de andre, men avhengig av interferensforholdene mellom de to strålene.

Signalet fra detektorene føres i separate ledere 2 0 til elektronikk og signalbehandlingsenheten 21 for deteksjon av fase og amplitude for interferens-signalet.

Speilet 17 i referansegrenen 16 vil fortrinnsvis kunne påtrykkes en oscillasjonsbevegelse fra en egnet oscillator 22 som resulterer i en varierende lengde på referansegrenen og dermed varierende interferens på detektoren, hvilket dermed kan gi et varierende signal på detektoren som på i og for seg kjent måte kan anvendes for å finne fasen på signalet som reflekteres fra objektet 15. I figuren er oscillatoren 22 dessuten koblet til måleinstrumentet 21 som behandler signalene fra detektoren. Ved å bruke en lavkoherent kilde 16 vil bare lys innen et begrenset målevolum 15 i fokus til objektlinsen 18 bidra til interferenssignalet.

Ved hjelp av modulasjonsteknikker kan som nevnt interferometerets fase bestemmes. Ved å se på fasen, kan en bestemme både størrelse og fortegn til det doppler-induserte frekvensskift i det reflekterte signalet. Lyset både faller inn mot partikkelen, og blir spredt fra partikkelen, innenfor et spektrum av vinkler slik at det resulterende signalet på hver og en av detektorens segmenter kan betraktes som en sum av lys fra alle aktuelle innfalls- og sprednings-vinkler. Når partikelen beveger seg normalt på optisk akse, vil en normal DOCT-metode være ufølsom fordi positive og negative frekvensskift vil oppstå symmetrisk (hvilket gir forbredning av signalet, men ikke noe netto frekvensskift). DOCT-metoden for å behandle signalet anses her som kjent, blant annet fra de refererte publikasjonene, og vil ikke bli beskrevet i detalj her.

Ved å dele opp lyset på detektoren brytes symmetrien slik at transversale bevegelser kan detekteres. Med en todelt detektor kan en bestemme to bevegelses-retninger, en langs optisk akse, og en normalt på optisk akse. Med en tre eller firedelt detektor kan bevegelser i tre retninger bestemmes ved hjelp av metodene som er kjent fra DOCT.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen kan dessuten speilet 17, eventuelt med tilhørende optiske elementer 19 på referansearmen 11 beveges for å endre denne armens lengde. Dette kan for eksempel utføres ved en tilleggsfunksjon i oscillatoren 22. På den måten oppnås en justeringsmulighet som muliggjør justering av lengden på målearmen 12.

Spredningen er gjengitt skjematisk i figur 2. Hvis objektet beveger seg vil lys som spres fra objektet få et frekvensskift som avhenger av tre variabler:

Partikkelens hastighet, v.

Vinkel mellom innfallende lys og hastighetsvektoren

Vinkel mellom spredt lys og hastighetsvektoren a2.

Det innfallende lyset kan betraktes om en sum av mange planbølger med ulike vinkler. I figur 2 er dette innfallende lyset skissert langs den optiske akse (z-retning), som et eksempel. Lyset vil falle inn fra mange vinkler, fordelt symmetrisk om optisk akse. Vinkelfordelingen for det innfallende lyset vil avhenge av linsens numeriske apertur og diameter på strålen inn til linsen. Vinkelfordelingen i det spredte lyset vil i tillegg avhenge av partikkelens spredeegenskaper.

Frekvensskiftet er gitt av strålenes komponenter langs hastighetsvektoren. Det innfallende lyset har frekvensen f0, mens det reflekterte lyset får frekvensen f0+Af, der frekvensskiftet er gitt av:

der v er partikkelens hastighet og X er lysets bølgelengde.

Vi ser at bidraget til frekvensskiftet er positivt når ax<90 grader og negativt når ax>90 grader. Tilsvarende gjelder for a2.

I eksemplet i figur 2 vil den reflekterte strålen med a2<90 grader få et positivt frekvensskift og treffe kvadrant 1 på detektoren og den reflekterte strålen med a2>90 grader får negativt frekvenskift og treffer kvadrant 3.

Hastighetsvektoren v kan dekomponeres til å ha komponentene vzog vxgitt av geometrien i figur 2. En positiv v2vil da gi positiv og lik Af i alle kvadranter, mens en positiv vxbidrar til positiv Af i kvadrant 1 og negativ Af i kvadrant 3. Ved å sammenligne det dopplerskiftede signal i kvadrant 1 og 3 kan man dermed finne hastighetskomponenten vx. vxbidrar ikke til Af i kvadrant 2 og 4. Tilsvarende kan man finne vy ved å sammenligne kvadrant 2 og 4. vzfinnes ved å sammenligne alle 4 kvadranter.

Figur 3 viser skjematisk spekteret Si (f) til detektorstrømmen fra de fire kvadrantene tilsvarende hastighetsvektoren gitt i figur 2 og med vy=0. Spektrene har en viss bredde på grunn av fordelingen av vinkler ax og a2.

Tyngdepunktene Af£i de fire spektrene Si (f) kan finnes ved bruk av egnede signalbehandlingsrutiner, f.eks STFT (Short Time Fourier Transform).

Av det ovenstående ser man da at hastighetskomponentene kan finnes av:

der konstantene K^og Kz kan bestemmes fra geometrien og vinkelfordelingene.

Som alternativ til å benytte Fourier-domene teknikker som beskrevet ovenfor, er å benytte teknikker i tids-domene, der man sammenligner faseendringer i de fire detektor-signalene. Hastighetene kan da finnes fra to påfølgende samplinger av fasen Oi til interferens signalet:

Dersom referanse-speilet scannes vil også denne bevegelsen bidra til et Dopplerskift som er felles for alle kvadrantene. Dersom scanne-hastigheten er kjent kan den målte hastighet enkelt korrigeres for dette.

En forbedret oppløsning av frekvens/hastighet kan fås ved å maskere vekk deler av detektorsegmentene slik at vinkelfordelingen til det detekterte lyset snevres inn. Derfor kan det også være aktuelt å erstatte kvadrantdetektoren med fire optiske fibere (koblet til hver sin detektor), plassert symmetrisk i lysstrålen fra interferometeret. En alternativ løsning er å erstatte kvadrantdetektoren med fire eller flere mindre detektorer.

Oppfinnelsen er beskrevet her ved bruk av et eksempel med et Michelson-interferometer, men det er klart at andre løsninger omfattende en referansestråle kan anvendes så lenge det oppnås et interferens-signal som kan indikere fasen til det reflekterte signalet. I tillegg må retningen til bølgefrontene i objektarmen bevares. Den praktiske utførelsen av eventuelle endringer i referansearmens lengde vil variere med interferometertypen.

Vinkelområdet som måleinstrumentet er følsomt for vil som nevnt avhenge av interferometerets konstruksjon, særlig i forhold til numerisk apertur og brennvidde for linsene samt avstand til måleobjektet. Disse valgene vil være nærliggende for en fagmann ut fra den konkrete anvendelsen. Dette gjelder også hvilken type lyskilde, deriblant også bølgelengdeområde og koherenslengden som anvendes. Bølgelengdeområdet vil for eksempel kunne velges ut fra antatt spredningstverrsnitt på partiklene hvis bevegelse skal måles, og sensortypen velges på bakgrunn av dette. Typiske bølgelengdeområder ved bruk i øyne vil være 600 til 900nm, og Si detektorer benyttes. Som lyskilder kan superluminesente dioder eller femtosekund pulsede lasere brukes. Når måleområdet er retina i øyet vil objektlinsen 18 erstattes av linsen i øyet, og strålen12 vil fortrinnsvis ha en bredde som begrenses av pupillen. Ved behov kan en eller flere linser plasseres i detektorarmen for å tilpasse strålediameteren til detektorstørrelsen.

Referanser:

[1] D. Huang, E.A. Swanson, CP. Lin, J.S. Shuman, W.G. Stinson, W. Chang, M.R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, CA. Puliafito, J.G. Fujimoto: Optical Coherence Tomography. Science, Vol 254, 1178-1181, 1991

[2] Z. Chen, Y. Zhao, S. M. Srinivas, J. S. Nelson, N. Prakash, R. D. Frosting, "Optical Doppler Tomography", IEEE J.Select.Top.Quant.Elect., 5, 1134-1142, 1999.

[3] J. M. Schmitt, "Array detection for speckle reduction in optical coherence tomography", Phys. Med. Biol. 42, 1427-1439, 1997.

[4] US Pat. 5,459,570, "Method and apparatus for performing

optical measurements", Oet. 17, 1995.

[5] US Pat. 5,549,114, "Short coherence length, Doppler

velocimetry system", Aug. 27, 1996.

[6] US Pat. 5,991,697, "Method and Apparatus for optical Doppler tomographic imaging of fluid flow velocity in highly scattering media", Nov. 23, 1999.

[7] US Pat. 6,006,128, "Doppler flow imaging using optical

coherence tomography", Dec. 21, 1999.

[8] US Pat. 6,037,579, "Optical interferometer employing multiple detectors to detect spatially distorted wavefront in imaging of scattering media", Mar. 14, 2000 .

[9] "Scanning laser Doppler flowmetry: Principle and technique" av Gerhard Zinser, Heidelberg Engineering GmbH, Heidelberg, Germany, i Pillunat LE, Harris A, Anderson DR, Greve EL (eds): "Current concepts on ocular blood flow in glaucoma", pp197-204. Kugler Publications, The Hague, 1999,

(http://www.heidelberg-engineering.de/tut/hrf/- hrf-tutorial.html).

Claims (8)

1 . Måleinstrument for optisk måling av hastighet og retningen på partikler eller tilsvarende, særlig i et øye, omfattende en romlig koherent lyskilde og optiske innretninger for å fokusere lys fra denne mot partiklene, samt optiske innretninger for å fokusere lys spredt fra partiklene mot en detektor, der de nevnte optiske innretningene består av et interferometer som omfatter en referansearm gjennom hvilken lys ledes mot detektoren og en målearm er innrettet til å bli fokusert mot partiklene, og der lys spredt fra partiklene ledes mot detektoren og interfererer med lys fra referansearmen ved detektoren, karakterisert ved at detektoren er forsynt med minst tre deler, og der måleinstrumentet er innrettet til å måle fase- eller frekvensskift på det detekterte signalet ved hver detektordel, og på bakgrunn av dette beregne bevegelsen til partiklene.

2. Måleinstrument ifølge krav 1, der referansearmen har en justerbar optisk lengde.

3 . Måleinstrument ifølge krav1 , der variasjonen i referansearmens optiske lengde påtrykkes ved hjelp av en oscillator.

4. Måleinstrument ifølge krav 1, der interferometeret er et Michelson-interferometer og der referansearmen omfatter en reflektor.

5. Måleinstrument ifølge krav4 , der reflektoren er forsynt med vibratorinnretninger, for eksempel piezoelektriske elementer, for å bevirke en vibrasjonsbevegelse på speilet.

6. Måleinstrument ifølge krav 1, der detektorens deler er like store sirkelseksjoner plassert rundt den optiske aksen.

7. Måleinstrument ifølge krav 1, der antallet detektorer er fire.

8. Måleinstrument ifølge krav 1, der lyskilden er en lavkoherent kilde.