WO2022079325A1 - Sistema de medida oct sensible a la polarización con interferómetro en tándem - Google Patents

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WO2022079325A1
WO2022079325A1 PCT/ES2020/070620 ES2020070620W WO2022079325A1 WO 2022079325 A1 WO2022079325 A1 WO 2022079325A1 ES 2020070620 W ES2020070620 W ES 2020070620W WO 2022079325 A1 WO2022079325 A1 WO 2022079325A1
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sample
polarization
detector
optical
light beam
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PCT/ES2020/070620
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Noé ORTEGA QUIJANO
Juan ARREGUI ALTUNA
Aritz LAZKOZ DEL CAMPO
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Deneb Medical, S.L
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Definitions

  • the present invention is directed to a polarization-sensitive optical coherence tomography measurement system, also known as PS-OCT by its acronym for "Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography", capable of carrying out measurements with a unit of miniaturized measurement, operating robustly against disturbances.
  • PS-OCT polarization-sensitive optical coherence tomography measurement system
  • the present invention is also directed to the use of said PS-OCT system in robotic minimally invasive surgery procedures.
  • Image capture techniques for the distinction of biological tissues are of great interest in the clinical field, since they allow revealing the presence of critical tissue structures such as nerves or blood vessels, distinguish organs or glands, and even identify pathological tissue such as tumors, which opens numerous applications for diagnosis, surgery and treatment.
  • PS-OCT Polarization-sensitive optical coherence tomography
  • OCT systems perform non-contact and light-based non-ionizing radiation measurements.
  • the PS-OCT systems use the polarization of the light itself as an additional source of information and contrast, since the Tissues modify polarization depending on their tissue composition and their structural or morphological characteristics.
  • PS-OCT systems emit a beam of light from an optical source to a detector with polarization diversity.
  • the emitted light beam is divided into two: a reference beam, which travels through a reference arm; and sample beam, which runs through a sample arm.
  • the reference arm can contain different optical elements, for example a mirror, and the sample arm directs the sample beam towards the sample on which the measurement is required. This measurement of the PS-OCT system will be based on the interference between both beams captured by the polarization diversity detector.
  • PS-OCT with separate paths PS-OCT with common paths.
  • the reference arm and the sample arm are spatially separated, so that the reference beam and the sample beam travel their respective arms independently.
  • the reference arm is located at the end of a fiber section and the sample arm at the end of another independent fiber section.
  • the fiber lengths can be quite long so that both the reference and sample arms can be positioned far apart from each other.
  • the reference arm is located next to the optical source and polarization diversity detector, while the sample arm ends in a measurement unit that will interact with the sample; for example, a scanner, a surgical head, a probe, an endoscope, a catheter, etc.
  • the personnel in charge of carrying out the measurement with the PS-OCT system will have to handle only the sample arm.
  • this type of architecture is not suitable for medical devices used in minimally invasive procedures since the reference arm is located at the end of the fiber at the same end as the sample arm, so typically both arms are included in the sample arm. the unit of measure. Considering that the length of the reference arm is directly proportional to that of the sample arm, and together with the fact that a greater This slenderness provides obvious advantages for minimally invasive devices, making the inclusion of the reference arm in the measurement unit have a considerable impact on its weight, volume, manageability, and stability. Additionally, it is possible that the introduction of polarization elements in both arms within the measurement unit may be required, which increases the complexity in the design, construction, adjustment, and stability of said unit.
  • the present invention proposes a solution to the problems mentioned for the two types of PS-OCT system architecture by means of a compact and lightweight PS-OCT system, with a miniaturized measurement unit capable of eliminating or minimizing the effect of disturbances in the measurement. .
  • the PS-OCT system of the invention is especially interesting for minimally invasive procedures and, in particular, for robotic surgeries in which the measurement unit is subject to continuous disturbances and must be as small as possible.
  • the present invention proposes a solution to the above problems by means of a polarization-sensitive optical coherence tomography measurement system according to claim 1 and the use of said system in a robotic minimally invasive surgery procedure according to claim 28.
  • Dependent preferred embodiments of the invention are defined.
  • the invention provides a polarization-sensitive optical coherence tomography measurement system, PS-OCT, comprising:
  • a measurement unit adapted to receive the light beam emitted by the optical source and comprising: o a first beam splitter element adapted to split the light beam into two, a sample beam and a reference beam; or a sample arm adapted to receive the sample beam, focusing said sample beam onto a sample which in operative mode reflects and/or backscatters the sample beam; and, returning a reflected sample beam with the photons reflected and/or backscattered by the sample; or a reference arm comprising a first reference block and wherein the first reference block comprises a first retroreflector, said first reference block adapted to receive the reference beam and impinge on the first retroreflector, and return a reflected reference beam in operating mode by the first retroreflector; or at least one polarization control element, included in the sample arm and/or in the reference arm, configured to establish the polarization of the beam that passes through it; Y
  • the measurement unit is adapted to provide the reflected sample beam and the reflected reference beam combined in a single light beam and, where the optical source, the measurement unit and the polarization diversity detector are optically connected to each other yes through optical connections and wherein the PS-OCT system is characterized in that the reference arm further comprises a second reference block, the second reference block comprising a second beam splitter element adapted to receive the combined light beam coming from the measurement unit, dividing said combined light beam into a first sample-detector beam and a second reference-detector beam, this second reference-detector beam sent to an auxiliary optical path; wherein the second reference block is adapted to provide the polarization diversity detector with a second light beam combining the first sample-detector beam and the second reference-detector beam after traversing the auxiliary optical path; and where, in operating mode, the optical path traveled by the component of the reflected reference beam of the combined beam sent to the auxiliary optical path, added to the rest of the optical
  • the PS-OCT system seeks to obtain optical tomographic images in a non-invasive manner.
  • the system comprises an optical source that emits a light beam that will interact with the sample on which measurements are required to acquire the tomographic image.
  • optical source and source are equivalent.
  • the samples are biological tissues that require visualization during a medical procedure.
  • the medical procedure is robotic minimally invasive surgery.
  • PS-OCT systems seek to measure the non-depolarizing polarimetric properties of a sample, that is, those that are directly related to their anisotropy.
  • anisotropy of a sample is the dependence of the refractive index of the sample as a function of the direction of space.
  • the anisotropic properties are divided into two effects that modify different properties of the polarization of light: birefringence, which asymmetrically modifies the phase of the components of the electric field vector and therefore alters the relative phase difference between them; and dichroism, which asymmetrically modifies the amplitude of the components of the electric field vector.
  • Birefringence and dichroism are directly related to the complex refractive index of the medium. Both effects alter the polarization state of the beams.
  • the cumulative effect of birefringence and dichroism on the polarization of the beams that pass through a medium with these properties produces retardance and diatenuation at the macroscopic level, respectively.
  • the polarization state is understood as the locus described over time by the electric field vector in a plane perpendicular to the direction of propagation of the light beam at a fixed point in space.
  • the locus is an ellipse.
  • Two particular and especially relevant situations of said ellipse are its simplification into a line -in which case it is linearly polarized light- or into a circle -circularly polarized light.
  • Any state of polarization can be resolved into three components that quantify respectively the component of the beam linearly polarized in the horizontal direction, linearly polarized in the vertical direction, and circularly polarized.
  • the anisotropy of a medium is completely described by three parameters that describe the asymmetry of the complex refractive index in space. Said asymmetry can be characterized mathematically and physically by what is known as the eigenvector of the medium, which is defined as the electric field vector of that state of polarization that remains unchanged as it passes through the medium. In this way, the anisotropy of a medium is expressed based on the horizontal linear, vertical linear and circular components of its eigenvector; said directions being referred to the plane perpendicular to the direction of propagation of the light beam. Therefore, there are 6 anisotropic parameters in the most general case, 3 for birefringence and 3 for dichroism.
  • the isotropic phase delay and attenuation (common to the components of the electric field vector), resulting in a total of 8 parameters.
  • the complete characterization of the anisotropic parameters using a PS-OCT system requires at least as many independent measurements as parameters to be determined, which means using complex PS-OCT architectures where the total analysis time is high.
  • linear birefringence also known as linear retardance.
  • linear retardance is the modulus of the linear component of the anisotropy
  • orientation of the optical axis is the angle of said linear component
  • reflectance is related to the isotropic attenuation; in particular, it is the component of light that has not been attenuated and that is measured.
  • simpler, faster and less expensive PS-OCT architectures can be used.
  • the PS-OCT system according to the invention is of the Single Input Polarization State type, hereinafter SIPS.
  • SIPS Single Input Polarization State
  • This type of SIPS systems are based on the illumination of the sample through a single polarization state and its analysis along two polarization directions using polarization diversity detectors.
  • a polarization diversity detector - or simply detector - is a polarization-sensitive detector or sensor capable of measuring the intensity and phase corresponding to specific polarization states.
  • the use of a PS-OCT system based on SIPS architecture allows reaching a high level of optimization in terms of measurement speed, system cost, and complexity.
  • the beam emitted by the optical source is received by a measurement unit.
  • the measurement unit is a module with optical components configured to perform measurements on a sample.
  • Said measurement unit comprises a beam splitter, or simply a splitter, which is to be understood as an optical element configured to receive a light beam and divide it into at least two different light beams.
  • the beam splitter splits the optical source beam into a reference beam and a sample beam.
  • the PS-OCT system according to the invention may comprise bulk or fiber polarization insensitive or sensitive beam splitters. For example, a beam splitter cube or a reflective sheet.
  • arm is an optical module that receives a light beam and returns another light beam, preferably having interacted with at least one optical component.
  • operating mode will refer to the time the PS-OCT system is in use or active.
  • the sample beam is directed into a sample arm.
  • the optical components included in said sample arm allow the sample beam to be focused on the sample so that it reflects and/or backscatters it, at least in part, depending mainly on its refractive index.
  • the reference beam travels towards a reference arm comprising a first reference block, understanding as such an optical sub-module.
  • the first reference block comprises a first retroreflector onto which the reference beam is incident such that said beam is reflected and/or backscattered, at least in part, by said first retroreflector.
  • a retroreflector is to be understood as an optical element that reflects and/or backscatters a light beam in the opposite direction to the direction of incidence. Examples of retroreflectors are mirrors, total internal reflection retroreflector prisms, specular retroreflector prisms, reflector cubes, Faraday mirrors, etc.
  • At least one of the sample and reference arms further comprises a bias control element.
  • a polarization control element will be understood as an optical element that establishes the polarization of the light beams that pass through it.
  • the polarization control element or elements must establish the polarization of the reference beam in such a way that there is a reference signal in the polarization states that are going to be read by some type of sensor and/or analyzed.
  • the polarization control elements can be implemented in fiber or bulk; for example, polarizers, retardation sheets, or photoelastic modulators.
  • the polarization of the beam at the output of the polarization control element is circular.
  • the polarization is linear with horizontal or vertical orientation.
  • the reference and sample beams reflected and/or backscattered in the reference and sample arms are subsequently combined and sent to a second reference block comprised in the reference arm.
  • the combined beam is again divided into a first beam that will be called the sample-detector beam, which travels in the direction of the system's detector, and a second beam that will be called the reference-detector beam, which travels along a path auxiliary optic before heading towards the detector.
  • the second reference-detector beam passes through the auxiliary optical path, it re-combines with the first sample-detector beam and, in combination, they reach the detector.
  • the objective of the auxiliary optical path is the introduction of a relative optical path length between the reference beam and the sample beam in order to equalize them and thus achieve interference between them. It is important to note that this second reference block does not introduce any relative fluctuation in the polarizations of the polarization states of the reference and sample beams.
  • optical connections are any type of connection that allows optical propagation continuity to be established between two or more elements.
  • the optical connections are optical fibers and optical communications in free space, understanding in this second case that the beam does not pass through a material element but rather propagates either in a vacuum or through a certain atmosphere or with a composition preset or air. Even more preferably, the optical fibers are polarization maintaining.
  • PS-OCT system comprises optical fibers
  • certain considerations have to be taken into account.
  • the fibers used are standard singlemode, it is necessary to take measures against the disturbances they introduce. These fibers are extremely susceptible to disturbances that induce random and very rapid changes in the refractive index in both directions, including internal stresses, external forces, bends, twists, elongations, temperature variations, pressure variations, etc. Consequently, the fiber introduces uncontrolled residual birefringence and therefore behaves as an unstable retarder, which results in an arbitrary modification in all the polarization states involved in the system.
  • the polarimetric randomization introduced by standard fibers has to be mitigated by using polarization controllers that constrain the effect produced by the fiber or by using more advanced solutions based on multiple measurements and their algorithmic analysis.
  • polarization-maintaining fibers are used, this disturbance problem would be solved by the very construction of the fibers.
  • These fibers are designed to maintain the polarization state of one or more specific states. typically they are designed to inject linearly polarized light aligned with the fast or slow axis of the fiber; for example, PANDA fibers, and maintain said polarization state at the output.
  • PANDA fibers linearly polarized light aligned with the fast or slow axis of the fiber
  • polarization-maintaining fibers are mainly that their cost is higher than that of standard fibers, that they require good compensation for the dispersion of polarization modes, and that they require attention in case you want to carry out some type of operation that produce tensions in the fiber that can introduce marked tensions in its internal structure and, therefore, modify its polarization-maintaining properties. It is also worth mentioning that, if these polarization-maintaining fibers are used, the rest of the fiber components must also meet this requirement and adapt to the required parameters and tolerances.
  • the architecture of the PS-OCT system of the invention advantageously overcomes the main obstacles of the state of the art.
  • the dimensions of the reference arm of the measurement unit are considerably reduced thanks to the separation thereof into the first and second reference blocks. This allows a reduction in the weight, volume, manageability, stability and complexity of the measurement device that enables its use in minimally invasive procedures.
  • the robustness of the measurement is ensured at all times since the reference and sample beams are subjected to identical disturbances and their polarization states evolve in the same way.
  • the second reference block additionally comprises a second retroreflector on which the second reference-detector beam falls when traveling along the auxiliary optical path.
  • the objective of the auxiliary optical path is to equalize the optical paths traveled by the reference and sample beams.
  • the auxiliary optical path has to be of a certain length, the length necessary so that the optical path of the reference and sample beams are the same.
  • the length of the auxiliary optical path is controlled in a simple and effective way, since said auxiliary optical path will be defined by the round trip path of the beam that falls on it, in this case, the second reference beam. -detector.
  • the position of the second retroreflector therefore, is not arbitrary but has to guarantee equalization of paths so that the system can measure the interference between the sample and reference beams.
  • the first sample-detector beam travels a second auxiliary optical path before being provided to the detector with polarization diversity in combination with the second reference-detector beam.
  • the second reference block additionally comprises a third retroreflector on which the first sample-detector beam falls when traveling along the second auxiliary optical path.
  • the sample-detector beam before falling in combination with the first on the detector, can also travel a second auxiliary optical path.
  • the length of said second auxiliary optical path has to comply with the requirement of equalization of optical paths between the reference and sample beams.
  • this second auxiliary optical path is controlled simply and effectively by positioning said retroreflector such that the sum of the sample-detector beam round-trip paths satisfies the equalization of optical paths .
  • the light dividing elements are adapted so that the total power of the divided light beam is divided into pre-established percentages.
  • the light splitting elements can separate the light beams impinging on them into at least two beams with a selectable power.
  • the elements Splitters separate the beams into two, each of which is 50% power.
  • some of the optical components of one of the beams may have a different signal level.
  • One possible reason for the difference in signal is that the reflection in the retroreflectors of the reference beam provides a reflected beam with much greater intensity than the light that comes from the reflection in the sample. The selection of the percentage of power of one and the other beam of light allows to compensate this different level of signal.
  • the sample arm additionally comprises a scanning unit adapted to direct the sample beam to determined positions of the sample in a controlled manner and to reciprocally redirect the reflected and/or backscattered photons traveling in the opposite direction.
  • the scanning unit comprises:
  • the scanning unit of the measurement unit is an optical scanner configured to, on the one hand, direct the sample beam towards desired positions of said sample and, on the other hand, to redirect the reflected and/or backscattered sample beam traveling in the opposite direction.
  • the displacement of the positions of incidence of the beam allows the reading to be carried out in a region of the sample and not only in a point.
  • the architecture of the system of the invention advantageously enables the performance of very diverse scanning methods.
  • By lightening the sample arm it is possible to include scanning media without spatially interfering with the media associated with the reference arm.
  • Some examples of scanning unit are set forth above without such examples being limiting.
  • the type of polarization established by the at least one polarization control element is of the linear type with a predetermined orientation or of the circular type, said at least one polarization control element being based on: - conventional polarimetric elements, preferably polarizers or retardation plates; either
  • polarization control elements are not limiting, and there may be others that are perfectly valid in the context of the invention.
  • All these elements control the polarization of the light beams that pass through it so that, at their exit, the beams are polarized in the polarization state determined by the effect of the polarization control element on the incident polarization state, the polarization control element configured so that the beam at its output has a predetermined polarization, or circular, or linear with horizontal orientation, or linear with vertical orientation.
  • the sample beam is circularly polarized since the equations to calculate the linear retardance and the orientation of the optical axis are considerably simplified and, in addition, the polarimetric modification introduced by the sample on the incident polarization state is maximized, facilitating the extent.
  • the second reference block additionally comprises at least one power adjustment element, preferably an iris, configured to adjust the power level of at least one of the light beams passing through the second reference block.
  • the architecture of the invention contemplates the use of power adjustment elements that pursue this purpose.
  • the power adjustment element is an iris located in the optical path of the reference-detector beam that allows the user to adjust the power level of the reference signal to avoid saturating the detector and to take optimal advantage of the dynamic range of detector measurement.
  • the first beam splitter element is a partial reflector adapted to allow a certain percentage of the light beam - the sample beam - to pass towards the sample arm; and reflecting the rest of the light beam - the reflected reference beam.
  • the reflection of the reference and sample beams is done coaxially, that is, about a common axis.
  • the beam splitter element splits the light beam from the source into the sample beam and the reference beam.
  • the sample beam is directed towards the sample and the reference beam is directly the reflected reference beam itself returned by the first reference block.
  • the power of both beams is selectable, preferably 50% for each of the beams.
  • the light dividing element fulfills a dual function. On the one hand, it separates the beams and, on the other hand, it acts as the first reference block by returning the reflected reference beam. In particular, it acts as the first retroreflector of this first reference block.
  • This type of coaxial architecture has an important advantage: the miniaturization of the measurement unit. This is possible thanks to the fact that the first reference block has been reduced to its minimum expression. Thus, this architecture is especially interesting in minimally invasive medical procedures and, in particular, in robotic minimally invasive surgeries.
  • the sample arm additionally comprises a focusing system configured to focus the sample beam on the sample, the focusing system being of the type:
  • the architecture of the PS-OCT system according to the invention allows the optics of the focusing system of the measurement unit to be of various types. Several non-limiting examples are included in the preceding paragraph.
  • the system additionally comprises a first beam management element, preferably an optical circulator, adapted to receive the light beam from the optical source and redirect it towards the measurement unit, and receive the combined light beam from the unit of measure and redirect it to the second reference blog.
  • a first beam management element preferably an optical circulator
  • the architecture of the PS-OCT system according to the invention can incorporate beam management elements, which are of an optical nature, to direct the different light beams in the desired direction.
  • the beam management element is an optical circulator since, in a simple and effective way, it is possible to direct the source beam towards the measurement unit and the combined beam returned by the measurement unit, which contains the Information relevant to the acquisition of the optical image is redirected to the second reference block.
  • the optical circulator is a polarization maintaining circulator.
  • the beam management element is an optical coupler.
  • the system additionally comprises a second beam management element, preferably an optical circulator, configured to receive the combined light beam from the first beam management element, if any, or from the measurement unit and redirect it to the second reference blog; and receiving the combined second light beam from the second reference blog and redirecting it to the polarization diversity detector.
  • a second beam management element preferably an optical circulator
  • the system of the invention can include a second beam management element, which can act alone or in conjunction with the first beam management element.
  • the second management element receives the combined beam directly from the measurement unit, while in the second case it receives it from the first beam management element.
  • the beam management element is an optical circulator since, in a simple and effective way, it is possible to direct the combined beam, whatever its origin, towards the second reference block and, in turn, it is redirected the second combined beam from the second reference block to the detector.
  • the optical circulator is a polarization maintaining circulator.
  • the second beam management element is an optical coupler.
  • optical connections between the elements of the system are established:
  • optical connections between the elements of the system can be of various types. Some non-limiting examples are set forth in the preceding paragraph.
  • PS-OCT system according to the invention are fiber-based have to take into account what are the advantages and disadvantages of using standard single-mode fibers or polarization-maintaining fibers described earlier in this document.
  • PS-OCT systems in which one or several modules are implemented in fiber arose, among other reasons, due to the development of minimally invasive medical devices. Thanks to its implementation in fiber, it facilitates, on the one hand, the guiding of light from the source to the measurement unit, for example, a catheter, an endoscope, a probe, a needle, a hand scanner, or similar. On the other hand, the handling of said module is favored and even its insertion in the patient to carry out minimally invasive measurements and procedures.
  • the passage of optical fiber to free space is established through a collimator, in case there are both types of optical connections in the system.
  • a collimator is an optical element that collimates the light beam it receives to direct it in a specific direction.
  • the use of collimators in the context of the invention advantageously allows the use of all the power of the beams, preventing them from being scattered over distance.
  • it allows easy coupling to fiber of the beams coming from free space.
  • the retroreflector(s) are mobile or fixed and where said retroreflectors are of one of the following types:
  • the retroreflector(s) are fixed. In contrast, when the PS-OCT system is implemented in the time domain, the retroreflector(s) are mobile.
  • a PS-OCT system is said to be implemented in the spectral domain (or Fourier domain) when the tomographic information is obtained from an interferometric signal measurement as a function of wavelength.
  • spectral domain or Fourier domain
  • spectrometer-based systems in the spectral domain typically use a partially coherent light source (usually a superluminescent diode SLED) and one or more spectrometers as detectors, so that the measurement of the spectrum is performed at an instant in time and the power of the beam is distributed over the entire range of measured wavelengths.
  • systems in the spectral domain based on scanning sources use spectral scanning sources and one or more photodiodes as detectors, so that at each instant a measurement of all the power of the beam is made at a specific wavelength. and the repetition of said measurement for all the wavelengths swept by the source ends up composing the measured spectrum.
  • a PS-OCT system is said to be implemented in the time domain when the tomographic information is obtained from an interferometric signal measurement as a function of time.
  • Time-domain systems typically use a partially coherent light source and a photodiode detector that records the variation in the signal. interferometric as a function of time as the retroreflector(s) move.
  • the architecture of the PS-OCT system according to the invention allows the type of said retroreflectors to be highly variable.
  • the non-limiting examples set forth above may be used in any embodiment of the invention.
  • the domain of the system is one of the following:
  • a beam of light is made up of an electromagnetic wave that can be characterized by its wavelength, and this univocally determines the frequency through the speed of propagation, as is the practice in this field of non-technical the term frequency will be used and only a beam of light will be characterized by its wavelength.
  • a beam of light can be modulated in amplitude and/or in phase and this modulation will be in accordance with one or more frequencies.
  • the term frequency will be reserved only for this variable, the amplitude and/or phase modulation.
  • the PS-OCT systems according to the invention can be designed in different domains such as those exposed in the previous paragraph.
  • the only consideration to take into account is that the elements of the system have to be suitable for said domain; in particular, the source, the polarization diversity detector and the type of retroreflectors.
  • the optical source is of the type:
  • the optical source is a partially coherent source, typically a superluminescent diode (SLED), while in the scanning spectral-domain systems the optical source is a swept-wavelength source.
  • the optical source additionally comprises an insulating element adapted to eliminate residual light beams traveling towards said optical source.
  • the components of the residual light beams that emerge towards the source do not fulfill any essential function in the system and can even produce unwanted disturbances in the emission of the source, which is why, advantageously, they can be eliminated by means of an insulating element, for example a optical isolator, to avoid possible interference with the source itself.
  • an insulating element for example a optical isolator
  • the polarization diversity detector comprises:
  • the type of detector of the PS-OCT system according to the invention depends on the domain in which the system is designed.
  • the detector in PS-OCT systems in the time domain the detector is of the fast photodiode type
  • PS-OCT systems in the spectral domain it is of the spectrometer type
  • the scanning domain it is of the fast photodiode type, typically in advanced configurations especially robust against common noise; for example, balanced detectors.
  • the polarization diversity detector comprises a polarization separator element adapted to project the second combined light beam that it receives in different directions depending on the polarization state of its components.
  • the polarization diversity detector comprises at least two sub-detectors adapted to simultaneously measure the polarization components of the combined light beam.
  • Polarization sensitivity can be achieved by a polarization splitting element, such as a beam splitter cube that projects the polarized component of the beam according to one polarization state towards one direction and the polarized component of the beam according to the orthogonal polarization state. the first in another direction.
  • the PS-OCT systems according to the invention use two sub-detectors that simultaneously measure the two analyzed polarization states.
  • the polarization diversity detector is adapted to measure the polarization components of the combined light beam by multiplexing the measurements. In a particular embodiment, the multiplexing is performed:
  • multiplexing can occur, among others, in the time domain by making consecutive measurements with a single detector; in the spectral domain, performing simultaneous measurements in different parts of the detector thanks to a polarization delay unit or measurements in different bands of the spectrum; and in the frequency domain, performing modulated measurements at different frequencies.
  • the system is of the MIPS (Multiple Input Polarization States) type.
  • the PS-OCT system according to the invention is of the SIPS type since it is known that the dominant anisotropic property in biological tissues is linear birefringence, which makes it possible that, when the PS-OCT system takes measurements on biological tissues, samples can be fully characterized thanks to this simple architecture.
  • SIPS systems are based on illuminating the sample through a single polarization state and measuring it along two polarization directions using polarization diversity detectors.
  • the system of the invention is used with other types of samples where more complex measurements and analyzes are required due to the presence of additional anisotropic properties or no dominant anisotropic property is known.
  • the PS-OCT system according to the invention is of the MIPS (Multiple Input Polarization States) type.
  • SIPS systems aim to characterize three parameters: reflectance, linear retardance, and optical axis orientation; however, MIPS systems obtain extra parameters, for example, linear diattenuation or optical activity.
  • the sample is illuminated with various polarization states that are measured in turn according to various polarization directions.
  • polarization states that are measured in turn according to various polarization directions.
  • the non-depolarizing polarimetric properties of the material are fully determined, it is usually referred to as a complete PS-OCT system, Jones-PS-OCT, or Mueller-PS-OCT.
  • the measurement unit is a manual tool.
  • the measurement unit is used in medical procedures and is, depending on the case: a tool, a tool, a scanner, a surgical head, a microscope, a camera, a catheter, an endoscope, a probe, a needle or a hand scanner, among others.
  • the scanning unit comprises an optical fiber with mechanical scanning, where the mechanical scanning is performed by means of a piezoelectric actuator.
  • Scanning or mechanical scanning through the fiber is achieved by fixing the fiber to a piezoelectric tube to which radiofrequency signals are applied with the aim of producing a controlled mechanical resonance in amplitude and phase in two perpendicular and different axes, preferably contained in a perpendicular plane. to the fiber direction. Thanks to this operation, it is possible to achieve a specific spatial pattern for scanning the sample as a function of time; for example, following a spiral as a function of time.
  • the advantages of this scanning mode lie in its suitability for the miniaturization of the measurement unit and in the field of view scanning width that can be achieved in resonant regime, which makes it a very interesting design option for realization of minimally invasive devices.
  • the invention provides the use of the system of the first inventive aspect in a robotic minimally invasive surgery procedure.
  • the architecture of the PS-OCT system according to the invention is suitable for medical devices used in minimally invasive procedures since the measurement unit is miniaturized while the robustness of the measurements is guaranteed by reduce or even eliminate the effect of disturbances on the measurement.
  • the miniaturization of the measurement unit provides obvious advantages for these minimally invasive devices, since its weight and volume are greatly reduced, allowing it to be more manageable and stable. More particularly, the system according to the invention is especially interesting for use in robotic minimally invasive surgeries in which the measurement unit is subject to continuous disturbances and it should be as small as possible.
  • FIG. 2 This figure shows a general diagram of a PS-OCT system with a miniaturized measurement unit according to an example of embodiment of the invention.
  • FIG. 3 This figure shows a first particular scheme of a PS-
  • OCT with a miniaturized measurement unit according to an embodiment of the invention where the auxiliary path traveled by the reference-detector beam is based on a retroreflector.
  • FIG. 4 This figure shows a second particular scheme of a PS-
  • OCT with a miniaturized measurement unit according to an embodiment of the invention where the sample-detector beam runs through a second auxiliary path based on a retroreflector.
  • FIG. 5 This figure shows a first particular scheme of a PS-
  • OCT with a miniaturized measurement unit according to an embodiment of the invention where the architecture of the detector with polarization diversity is detailed.
  • FIG. 6 This figure shows an embodiment of a PS-OCT system with a miniaturized measurement unit according to an example of embodiment of the invention where the reference and sample beams travel through a coaxial path.
  • Figures la and Ib show the generic architectures of a PS-OCT system of the State of the Art; in particular, Figure la shows a separate path architecture and Figure Ib shows a common path architecture.
  • the central element is a coupler that conveniently directs the beams to produce the interferometry.
  • the illumination path begins at the optical source (2).
  • the beam (7) emitted by the optical source (2) is injected into the first connector of the coupler, which separates this beam (7) into two beams with a configurable percentage of power each: a part of the beam travels towards the reference arm (3.3), the reference beam (7.2), and the other part travels towards the measurement unit (3), the sample beam (7.1), which comprises the sample arm (3.2).
  • the reference arm (3.3) contains a reflector (3.3.1.1) on which the reference beam (7.2) is incident and the sample arm (3.2) is configured to direct the sample beam (7.1) towards the sample (M ) on which the measurements are made. Furthermore, both arms (3.2, 3.3) preferably have polarization control elements (3.4). In other embodiments of the state of the art, these polarization control elements (3.4) are included in only one of the arms (3.2, 3.3).
  • the reference (7.2) and sample (7.1) beams are reflected and/or backscattered (7.2r, 7. Ir) by the retroreflector (3.3.1.1) and by the sample (M) respectively, carrying out inverse propagation through of the measurement path (sample-detector direction).
  • the coupler performs two functions:
  • the polarization diversity detector (4) performs the measurement by analyzing the components that reach it.
  • This architecture faces a problem related to polarization control due to the fact that the reference beam (7.2) and the sample beam (7.1) traverse separate fiber lengths.
  • phase fluctuations and polarimetric disturbances that can asymmetrically affect both beams (7.1, 7.2), altering their relative polarizations and therefore deteriorating the PS measurement.
  • -OCT The timescale over which the impact of these fluctuations occurs depends on uncontrolled factors, and typically has an observable effect during a single measurement. This is unacceptable in PS-OCT systems for medical devices since their operation must be robust for long periods of time and, in particular, during the performance of the clinical procedure.
  • Figure Ib shows the generic architecture of a state-of-the-art PS-OCT system with common paths.
  • the central element is not a coupler but an optical circulator that directs the beam (7) emitted by the optical source (2) towards a beam splitter element (3.1).
  • This splitter (3.1) separates the beam (7) into two, the reference beam (7.2) and the sample beam (7.1).
  • Both beams (7.1, 7.2) are reflected and/or backscattered (7. Ir, 7.2r) by the sample (M) and by the retroreflector (3.3.1.1) and perform reverse propagation through the measurement path (sample direction -detector).
  • the considerations relating to the rest of the system are identical to those discussed for the separate path architecture, except for the difference that in this case the optical circulator directs the entire combined beam (7.3) towards the polarization diversity detector (4) without that there is no component traveling to the optical source (2).
  • the essential feature of this implementation is that the reference (7.2) and sample (7.1) beams traverse exactly the same path through the fiber. Therefore, they are subjected to identical disturbances and their polarization states evolve in the same way. This is true as long as there are no undesired diatenuation effects in the fiber components, which is true in practice because the residual diatenuation of commercial elements is in low ranges. By undergoing exactly the same modifications, the relative polarization between the sample and reference polarization states is maintained. Consequently, this implementation is constructively robust against disturbances and fluctuations of the measurement system.
  • the reference arm (3.3) is located at the end of one fiber span and the sample arm (3.2) at the end of another independent fiber span.
  • the fiber sections can be quite long, for example between 2 and 5 meters, so that the reference arm (3.3) can be located away from the sample arm (3.2) located in the vicinity of the sample (M).
  • typically the reference arm (3.3) is located next to the optical source (2) and the detector (4) in a module, while the sample arm (3.2) ends in a tool, a fixture, a scanner , a surgical head, a microscope, a camera, a catheter, an endoscope, a probe, a needle, a handheld scanner, etc.
  • the reference arm (3.3) is located at the end of the fiber at the same end as the sample arm (3.2), so typically both arms (3.2 , 3.3) are included in the unit of measure (3).
  • the length of the reference arm (3.3) is directly proportional to that of the sample arm (3.2), and together with the fact that greater slenderness provides obvious advantages for minimally invasive devices, the inclusion of the reference arm ( 3.3) in the unit of measure (3) has a considerable impact on its weight, volume, manageability, and stability.
  • the need to introduce polarization control elements (3.4) in both arms (3.2, 3.3) within the measurement unit (3) also increases the complexity in the design, construction, adjustment, and stability of said unit (3 ).
  • Figure 2 shows a general diagram of a PS-OCT system (1) with a miniaturized measurement unit according to an example of embodiment of the invention.
  • the architecture of this system solves the two main problems of separate and common path architectures: robustness against disturbances and reduction in the size of the unit of measurement.
  • the PS-OCT systems (1) can be of the SIPS or MIPS type and can be implemented in the time domain, in the spectrometer-based spectral domain, and in the scanning spectral domain based on a scanning source.
  • the differences introduced by each domain fundamentally affect the optical source (2) and the detector (4).
  • the optical source (2) is partially coherent, typically a superluminescent diode (SLED), while spectral-domain Scanning systems use optical sources (2) with wavelength scanning (swept-source).
  • polarization control elements are introduced at the output of the optical source (2).
  • insulating elements can be placed, for example optical insulators, to eliminate the components of the residual light beams that emerge towards said optical source (2), thus avoiding possible interferences with the optical source (2) itself.
  • the illumination path begins at the optical source (2), which emits a coherent or partially coherent light beam (7), depending on the domain of the system (1).
  • the beam (7) is received by the measurement unit (3), where it is divided by a beam splitter element (3.1) into a sample beam (7.1) and a reference beam (7.2), the first traveling towards one sample arm (3.2) and the second towards a reference arm (3.3).
  • the beam splitter element (3.1) can be any type of beam splitter (3.1) insensitive or sensitive to bulk or fiber polarization.
  • Figure 2 shows a splitter cube that deflects the beam 90 degrees.
  • Other preferred examples of splitters (3.1) are reflector sheets which reflect part of the beam back, the reference beam (7.2), and transmit another part of the beam, the sample beam (7.1).
  • the sample arm (3.2) is a module adapted to focus the sample beam (7.1) on the sample (M) from which a measurement is to be obtained.
  • the sample (M) is a biological tissue.
  • Said sample (M) reflects and/or backscatters the sample beam (7. Ir) depending, among other parameters, on the refractive index of the sample (M) traveling the reverse measurement path (sample-detector direction).
  • the sample arm (3.2) also comprises a polarization control element (3.4) that determines the polarization of the sample beam (7.1) and/or the reflected and/or backscattered sample beam (7.Ir).
  • the reference arm (3.3) is divided into two blocks: the first reference block (3.3.1) and the second reference block (3.3.2).
  • the reference beam (7.2) first travels through the first reference block (3.3.1), hitting a first retroreflector (3.3.1.1) that reflects and/or backscatters it (7.2r) traveling the opposite path to that of incidence.
  • system (1) accepts any element that can function as a retroreflector; for example: mirrors, total internal reflection retroreflective prisms, specular retroreflective prisms, reflective cubes, Faraday mirrors, metallic, dielectric or nanostructured reflective coatings, etc.
  • the first reference block (3.3.1) also comprises a polarization control element (3.4) that determines the polarization of the reference beam (7.2) and/or the reflected and/or backscattered reference beam (7.2). r).
  • the reflected and/or backscattered beams (7. Ir, 7.2r) are combined by means of some optical device or element.
  • the optical element that combines them is the beam splitter element itself (3.1).
  • the combined beam (7.3) travels towards the second reference block (3.3.2), whose function is the equalization of the optical paths traveled by the sample and reference beams.
  • a second beam splitter element (3.5) splits the combined beam (7.3) into a first sample-detector beam (7.3.1), which travels towards the detector with polarization diversity (4), and a second reference-detector (7.3.2) that follows an auxiliary optical path.
  • Said auxiliary optical path must be such that, added to the rest of the optical path of the reflected reference beam (7.2r) until it reaches the polarization diversity detector (4), equals the optical path of the reflected sample beam (7. Ir) until reaching the detector with polarization diversity (4).
  • sample-detector and reference-detector beams are combined into a second combined beam (7.4).
  • said beams are combined by means of the beam splitter element (3.5) itself.
  • the second reference block (3.2.2) also comprises a polarization control element (3.4), not shown in figure 2, to determine the polarization of the combined beam (7.3), and/or of the sample-detector beam (7.3.1), and/or the reference-detector beam (7.3.2) and/or the second combined beam (7.4).
  • a polarization control element 3.4
  • the polarization control elements (3.4) are included:
  • the type of detector with polarization diversity (4) depends, like the optical source (2), on the domain in which the PS-OCT system (1) is designed. If the PS-OCT system (1) is implemented in the time domain, the detector (4) is of the fast photodiode type, while in the spectral domain it is of the spectrometer type and in the scanning domain it is of the fast photodiode type, typically in advanced configurations especially robust against common noise; for example, balanced detectors.
  • the reference beam (7.2) and the sample beam (7.1) travel through the same optical fiber, so they suffer exactly the same disturbances, resulting in a robust system. Therefore, their relative polarization is not altered.
  • the first reference block (3.3.1) is found at one end of the system (1) included in the generic measurement unit (3).
  • the second reference block (3.3.2) is located next to the detector (4), which allows locating the most voluminous element in a position far from the group formed by the sample arm (3.2) and the first block of reference (3.3.1), maintaining the robustness of the system and the stability of the PS-OCT measurement.
  • Figure 3 shows a more particular example of embodiment.
  • the description of Figure 2 can be extrapolated to this figure, so only those elements and processes that are different are described.
  • a scanning unit (3.2.1) which is adapted to direct the sample beam (7.1) in a controlled manner to determined positions of the sample (M) and reciprocally redirect the reflected and/or backscattered photons ( 7. Go) for the same.
  • the scanning unit (3.2.1) can be of multiple types. Some particular examples are: a two-axis galvanometric mirror, a mechanically scanned optical fiber, a MEMS scanner, a rotating polygonal mirror, a holographic scanner, a scanner by optoacoustic effect, or a grouping of optical fibers with scanning in the proximal end fiber by fiber.
  • a focusing system (3.2.2) configured to focus the sample beam (7.1) on the sample (M) is shown, the focusing system (3.2.2) being able to be of the refractive, reflective, diffractive type. or an array of lenses, among others.
  • Figure 3 additionally shows a beam management element (5.1) which, preferably, is an optical circulator. Even more preferably, the optical circulator is polarization-maintaining.
  • the function of said beam management element (5.1) is to receive the light beam (7) from the optical source (2) and redirect it towards the measurement unit (3), and receive the combined light beam (7.3), coming from the measurement unit (3), and redirect it to the second reference block (3.3.2).
  • Figure 3 shows in detail a preferred embodiment of the auxiliary optical path.
  • the second reference block (3.3.2) comprises a second retroreflector (3.3.2.1) on which the reference-detector beam (7.3.2) falls.
  • the auxiliary optical path is defined by the round trip path made by the reference-detector beam (7.3.2) from its separation in a beam splitter element (3.5) to its combination with the sample-detector beam (7.3.1) into a second combined beam (7.4).
  • Figure 4 shows a more particular embodiment of the invention. The description of the common elements of Figures 2 and 3 are applicable for this figure.
  • the system (1) comprises a second beam management element (5.2) which, preferably, is an optical circulator. Even more preferably, it is a polarization-maintaining optical circulator.
  • the second circulator (5.2) receives the combined beam (7.3) from the first beam management element (5.1), be it a circulator or another optical element such as a coupler, and redirects it towards the second reference block (3.3.2).
  • the second circulator (5.2) receives a second combined light beam (7.4) from the second reference block (3.3.2) and redirects it towards the polarization diversity detector (4).
  • the second reference block (3.3.2) for its part, comprises a third retroreflector (3.3.2.2) on which the sample beam falls and is reflected and/or backscattered.
  • detector (7.3.1) before being directed towards the detector (4).
  • the sample-detector beam (7.3.1) additionally travels a second auxiliary optical path.
  • the position of the retroreflectors must be such that the sum of the auxiliary optical paths and the rest of the fiber sections crossed by the sample and detector beams are equal.
  • the beams reflected and/or backscattered by the retroreflectors (3.3..1, 3.3.2.2) are subsequently combined into a second combined beam (7.4), preferably by the beam splitter element itself (3.5).
  • Said second combined beam (7.4) is received by the circulator (5.2) to be redirected towards the polarization diversity detector (4).
  • collimators (6) are shown. These elements are necessary, at least, when part or all of the optical connections between the elements of the system (1) are established by means of optical fiber and in free space at the same time.
  • the collimator (6) is placed at the end of the optical fiber to produce from the fiber a collimated beam in free space and/or to inject the beam or beams coming from free space into the fiber.
  • optical communications are established via standard single mode optical fibers, polarization maintaining optical fibers, waveguides, via free space, or via a combination of at least two of the foregoing.
  • FIG. 5 shows a more particular embodiment of the invention. The description of common elements in Figures 2, 3 and 4 is valid for this figure.
  • the PS-OCT system (1) is implemented in the spectral domain.
  • the optical source (2) is a superluminescent diode that provides a linearly polarized beam (7) and has a polarization maintaining fiber (PM, "polarization maintaining”) at the output.
  • PM polarization maintaining fiber
  • Said polarization-maintaining fiber is the first arm of a polarization-maintaining circulator (5.1) that directs the beam (7) along the illumination path to the distal end, in which a collimator (6) at the end of the fiber produces a collimated beam in open space.
  • Said beam falls on a beam splitter (3.1) insensitive to polarization, so that one part is transmitted and the other is reflected.
  • the transmission-reflection power ratio is configurable, being preferably 50%-50%.
  • the polarization control element (3.4) of the sample arm (3.2) of this embodiment is, preferably, a quarter-wave delay blade configured in such a way that the sample beam (7.1) at its exit is circularly polarized
  • the reason for fixing this polarization is that when the sample beam (7.1) incident on the sample (M) is circularly polarized, the equations to calculate the linear retardance and the orientation of the optical axis are considerably simplified, and also the polarimetric modification introduced by the sample is maximized ( M) on the state of incident polarization facilitating the measurement.
  • the scanning unit (3.2.1) of this embodiment is preferably a galvanometric mirror with two axes.
  • the sample beam (7.1) is angularly deflected by the galvanometric mirror to focus on the sample (M) by means of a focusing system (3.2.2) which, in turn, is the element for capturing the reflected light and/or backscattered by the sample (M) traveling in the opposite direction through the measurement path.
  • the polarization control element (3.4) of the first reference block (3.3.1) is also a quarter-wave delay plate, but in this case it is configured so that when the reflected and/or backscattered reference beam (7.2 r) it passes through has a polarization at the output linear and oriented at 45 degrees with respect to the axis of the polarization maintaining fiber.
  • the reflected and/or backscattered sample and reference beams (7. Ir, 7.2r) are coupled to the fiber through the collimator (6) and are redirected by a first circulator (5.1) towards a second circulator (5.2), both maintainers of polarization.
  • the combined beam (7.3) is collimated to free space and enters the second reference block (3.3.2). In doing so, it is divided by a beam splitter (3.5), preferably of the splitter cube type, into a first sample-detector beam (7.3.1) and a second reference-detector beam (7.3.2).
  • the first sample-detector beam (7.3.1) is reflected by a third retroreflector (3.3.2.2), preferably a mirror, located a short distance from the beam splitter element (3.5).
  • the round trip path traveled by this beam (7.3.1) is the second auxiliary optical path.
  • the second divided reference-detector beam (7.3.2) is reflected by a second retroreflector (3.3.2.1), preferably a mirror, located at a greater distance than that of the third retroreflector (3.3.2.2) with respect to the beam splitter element (3.5).
  • the round trip path traveled by this beam (7.3.2) is the auxiliary optical path.
  • the objective of introducing this asymmetry in the auxiliary optical paths of both components is to ensure that, when both components are recombined (7.4), there is a fraction of the reference beam that has traveled exactly the same optical path length as a fraction of the sample beam, which constitutes the essential condition to be able to carry out the interferometric measurement in PS-OCT.
  • the second reference block (3.3.2) additionally comprises at least one power adjustment element (3.3. .3), preferably an iris, configured to adjust the power level of the reference-detector beam (7.3 .2) that passes through it.
  • the iris allows adjusting the power level of the reference signal to avoid saturating the detector (4) and to be able to set the reference signal level in the sub-detectors at an optimum value.
  • a cube insensitive to polarization is used, that reflecting mirrors are used, and that this section runs in open space, ensure that no asymmetric modification is introduced in the relative polarization between both beams, which guarantees the stability of its interference and therefore the robustness of the polarimetric measurement.
  • the second combined beam (7.4) is directed by the second polarization maintainer circulator (5.2) towards the polarization diversity detector (4), where it enters collimated in free space thanks to a collimator (6).
  • Figure 5 additionally shows a more detailed diagram of the detector with polarization diversity (4) that acts in the spectral domain.
  • the fact that the detector has polarization diversity must be understood as that said detector (4) is sensitive to polarization and analyzes the intensity corresponding to specific polarization states.
  • Polarization sensitivity can be achieved by means of a polarization splitter element (4.1), such as the beam splitter cube in Figure 5, which projects the polarized component of the beam according to one polarization state in one direction and the polarized component of the beam according to the polarization state orthogonal to the first towards another direction.
  • the detector (4) uses two spectrometer-type sub-detectors (4.2, 4.3) that simultaneously measure the two analyzed polarization states of the second combined light beam (7.4).
  • the spectrometer is made up of at least one diffraction grating, a focusing system, and a line camera.
  • the diffraction grating spatially separates the different wavelengths of the beam, which are focused on camera pixels for which the correspondence between pixel number and wavelength is known.
  • the spectrometer it is designed to adequately measure the spectral components of the beam, taking into account the characteristics of the optical source (2) used in the system (1).
  • the detector (4) acts by means of other methods that multiplex the measurement: in the time domain, making consecutive measurements with a single detector (4); in the spectral domain by performing simultaneous measurements in different parts of the detector (4) using a polarization delay unit or by measuring in different regions of the spectrum; or in the frequency domain performing modulated measurements at different frequencies.
  • these detectors (4) that act in different domains will form part of a system (1) designed in said domain.
  • Figure 6 shows an alternative to the measurement unit (3) shown in the previous figures.
  • the description of figures 2-5 referring to the elements that this figure 6 has in common is equally valid.
  • sample arm (3.2) and the first block of the reference arm (3.3.1) are coincident thanks to a common element: a partial reflector that acts as both a beam splitter (3.1) and a first retroreflector. (3.3.1.1).
  • the partial reflector when the beam (7) from the optical source (2) falls on it, divides said beam in two so that part of the beam is transmitted to the sample (M) - sample beam (7.1) -and another part of the beam (7) is reflected back - retroreflected and/or backscattered reference beam (7.2r). Both beams, therefore, are coaxial.
  • the scanning unit (3.2.1) is a scanned polarization maintaining fiber.
  • Fiber scanning is achieved by fixing the fiber to a piezoelectric tube to which radiofrequency signals are applied, with the aim of producing a controlled mechanical resonance in amplitude and phase in both axes. Thanks to this operation, a specific spatial pattern can be achieved as a function of time, scanning, for example, following a spiral as a function of time.
  • the advantages of this scanning mode lie in its suitability for the miniaturization of the measurement unit (3) and in the width of the field of view that can be achieved, which makes it a very interesting design option for carrying out minimally invasive devices.
  • the partial reflector is a reflector located at the distal end of the scanned fiber.
  • This element may preferably be a partially covered reflector applied directly on the fiber.
  • the reflector it is convenient for the reflector to be located at the tip of the fiber since, when scanning it, said fiber is deformed and the fact that it is the surface of the final face of the fiber that reflects the beam ensures a homogeneous percentage of reference power regardless of the angle and position of the scan.
  • the fibers used are PANDA-type PM fibers, the polarization state of the sample beam (7.1) being linear.
  • the complexity of its design is reduced and this unit is lighter and more stable, further favoring the use of the system in minimally invasive procedures.
  • the fibers used are PM fibers designed to maintain circularly polarized polarization states, such as bow-tie type PM fibers.
  • this example allows greater lightness and stability of the measurement unit, favoring the use of the system in minimally invasive procedures.

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Abstract

La presente invención está dirigida a un sistema de medida de tomografía de coherencia óptica sensible a la polarización, también conocido PS-OCT por sus siglas de la denominación en inglés "Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography", capaz de realizar medidas con una unidad de medida miniaturizada, operando de forma robusta frente a perturbaciones. La presente invención también está dirigida al uso de dicho sistema PS-OCT en procedimientos de cirugía mínimamente invasiva robotizada.

Description

SISTEMAS OCT CON UNIDAD DE MEDIDA MINIATURIZADA
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está dirigida a un sistema de medida de tomografía de coherencia óptica sensible a la polarización, también conocido PS-OCT por sus siglas de la denominación en inglés "Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography", capaz de realizar medidas con una unidad de medida miniaturizada, operando de forma robusta frente a perturbaciones. La presente invención también está dirigida al uso de dicho sistema PS-OCT en procedimientos de cirugía mínimamente invasiva robotizada.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las técnicas de captura de imagen para la distinción de tejidos biológicos tienen un enorme interés en el ámbito clínico, ya que permiten revelar la presencia de estructuras tisulares críticas como nervios o vasos sanguíneos, distinguir órganos o glándulas, e incluso identificar tejido patológico como tumores, lo que abre numerosas aplicaciones para diagnóstico, cirugía y tratamiento.
La tomografía de coherencia óptica sensible a la polarización, de ahora en adelante PS-OCT, es una modalidad de imagen que permite visualizar no solamente la superficie del tejido sino también las estructuras subyacentes. Los sistemas PS-OCT realizan medidas sin contacto y con radiación no ionizante basada en luz. Además de utilizar el contraste de los sistemas OCT que viene dado por la amplitud de la luz reflejada y/o retroesparcida por el tejido, los sistemas PS- OCT utilizan la polarización de la propia luz como fuente adicional de información y contraste, ya que los tejidos modifican la polarización en función de su composición tisular y de sus características estructurales o morfológicas.
Los sistemas PS-OCT emiten un haz de luz desde una fuente óptica hasta un detector con diversidad de polarización. El haz de luz emitido se divide en dos: un haz de referencia, que recorre un brazo de referencia; y haz de muestra, que recorre un brazo de muestra. El brazo de referencia puede contener distintos elementos ópticos, por ejemplo un espejo, y el brazo de muestra dirige el haz de muestra hacia la muestra sobre la cual se requiere realizar la medida. Esta medida del sistema PS-OCT se basará en la interferencia entre ambos haces captada por el detector con diversidad de polarización.
En el estado de la técnica existen dos arquitecturas de PS-OCT en función de la disposición del brazo de referencia y del brazo de muestra: PS-OCT con caminos separados y PS-OCT con caminos comunes.
En la arquitectura PS-OCT con caminos separados el brazo de referencia y el brazo de muestra están espacialmente separados, de forma que el haz de referencia y el haz de muestra recorren sus respectivos brazos de forma independiente. En el caso de sistemas de PS-OCT implementados en fibra óptica, el brazo de referencia está situado al final de un tramo de fibra y el brazo de muestra al final de otro tramo de fibra independiente. Los tramos de fibra pueden ser bastante largos por lo que ambos brazos de referencia y de muestra pueden situarse alejados uno de otro. En la práctica, típicamente el brazo de referencia está ubicado junto a la fuente óptica y al detector con diversidad de polarización, mientras que el brazo de muestra termina en una unidad de medida que interactuará con la muestra; por ejemplo, un escáner, un cabezal quirúrgico, una sonda, un endoscopio, un catéter, etc. Así, el personal encargado de realizar la medida con el sistema PS-OCT tendrá que manejar solo el brazo de muestra.
Sin embargo, en esta arquitectura los haces de muestra y de referencia atraviesan tramos de fibra óptica separados. Esto hace que ambos haces puedan verse afectados por fluctuaciones de fase y perturbaciones polarimétricas que pueden afectarles de forma asimétrica; así, es posible que se alteren sus polarizaciones relativas y, por lo tanto, se modifique la medida de PS-OCT. Esto es inasumible en sistemas de PS-OCT para dispositivos médicos, ya que su funcionamiento debe ser robusto durante largos periodos de tiempo y, en particular, durante la realización del procedimiento clínico y durante la adquisición de cada una de las imágenes, interferogramas o tomogramas realizados durante dicho procedimiento.
En la arquitectura PS-OCT con caminos comunes se resuelve este problema de fluctuaciones asimétricas de polarización ya que los haces de referencia y muestra atraviesan exactamente el mismo camino a través de la fibra. Por lo tanto, están sometidos a perturbaciones idénticas y sus estados de polarización evolucionan del mismo modo. Al sufrir exactamente las mismas modificaciones, la polarización relativa entre los estados de polarización de muestra y de referencia se mantiene. En consecuencia, esta implementación es constructivamente robusta frente a perturbaciones y fluctuaciones del sistema de medida.
Sin embargo, este tipo de arquitectura no es apta para dispositivos médicos utilizados en procedimientos mínimamente invasivos ya que el brazo de referencia está situado al final de la fibra en el mismo extremo que el brazo de muestra, por lo que típicamente ambos brazos están incluidos en la unidad de medida. Considerando que la longitud del brazo de referencia es directamente proporcional a la del brazo de muestra, y unido al hecho de que una mayor esbeltez proporciona ventajas evidentes para dispositivos mínimamente invasivos, hace que la inclusión del brazo de referencia en la unidad de medida tenga un impacto considerable en el peso, volumen, manejabilidad, y estabilidad de la misma. Adicionalmente, es posible que se requiera la introducción de elementos de polarización en ambos brazos dentro de la unidad de medida, lo que aumenta la complejidad en el diseño, construcción, ajuste, y estabilidad de dicha unidad.
La presente invención propone una solución a los problemas mencionados para los dos tipos de arquitectura de sistemas PS-OCT mediante un sistema PS-OCT compacto y ligero, con una unidad de medida miniaturizada capaz de eliminar o minimizar el efecto de las perturbaciones en la medida. El sistema PS-OCT de la invención es especialmente interesante para procedimientos mínimamente invasivos y, en particular, para cirugías robotizadas en las que la unidad de medida está sujeta a perturbaciones continuas y debe ser lo más pequeña posible.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone una solución a los problemas anteriores mediante un sistema de medida de tomografía de coherencia óptica sensible a la polarización según la reivindicación 1 y el uso de dicho sistema en un procedimiento de cirugía mínimamente invasiva robotizada según la reivindicación 28. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.
En un primer aspecto inventivo, la invención proporciona un sistema de medida de tomografía de coherencia óptica sensible a la polarización, PS-OCT, que comprende:
- una fuente óptica que emite un haz de luz coherente o parcialmente coherente;
- una unidad de medida adaptada para recibir el haz de luz emitido por la fuente óptica y que comprende: o un primer elemento divisor de haz adaptado para dividir el haz de luz en dos, un haz de muestra y un haz de referencia; o un brazo de muestra adaptado para recibir el haz de muestra, enfocar dicho haz de muestra sobre una muestra que en modo operativo refleje y/o retroesparza el haz de muestra; y, devolver un haz de muestra reflejado con los fotones reflejados y/o retroesparcidos por la muestra; o un brazo de referencia que comprende un primer bloque de referencia y donde el primer bloque de referencia comprende un primer retrorreflector, dicho primer bloque de referencia adaptado para recibir el haz de referencia y hacerlo incidir en el primer retrorreflector, y devolver un haz de referencia reflejado en modo operativo mediante el primer retrorreflector; o al menos un elemento de control de polarización, comprendido en el brazo de muestra y/o en el brazo de referencia, configurado para establecer la polarización del haz que pasa a través suyo; y
- un detector con diversidad de polarización; donde la unidad de medida está adaptada para proveer del haz de muestra reflejado y del haz de referencia reflejado combinados en un mismo haz de luz y, en donde la fuente óptica, la unidad de medida y el detector con diversidad de polarización están conectados ópticamente entre sí a través de conexiones ópticas y en donde el sistema PS-OCT está caracterizado por que el brazo de referencia comprende adicionalmente un segundo bloque de referencia, comprendiendo el segundo bloque de referencia un segundo elemento divisor de haz adaptado para recibir el haz de luz combinado proveniente de la unidad de medida, dividiendo dicho haz de luz combinado en un primer haz de muestra-detector y un segundo haz de referencia-detector, este segundo haz de referencia-detector enviado a un camino óptico auxiliar; donde el segundo bloque de referencia está adaptado para proveer al detector con diversidad de polarización un segundo haz de luz combinando el primer haz de muestra- detector y el segundo haz de referencia-detector tras recorrer el camino óptico auxiliar; y donde, en modo operativo, el camino óptico recorrido por la componente del haz de referencia reflejado del haz combinado enviado al camino óptico auxiliar, sumado al resto del camino óptico del haz de referencia reflejado hasta alcanzar al detector con diversidad de polarización es tal que ¡guala el camino óptico del haz de muestra reflejado hasta alcanzar al detector con diversidad de polarización.
El sistema PS-OCT según la invención persigue la obtención de imágenes ópticas tomográficas de manera no invasiva. El sistema comprende una fuente óptica que emite un haz de luz que interactuará con la muestra sobre la cual se requiere realizar medidas para adquirir la imagen tomográfica. A lo largo del documento, los términos fuente óptica y fuente son equivalentes.
En un ejemplo preferido, las muestras son tejidos biológicos que requieren visualiza on durante un procedimiento médico. En un ejemplo preferido más particular, el procedimiento médico es una cirugía mínimamente invasiva robotizada. En general, los sistemas PS-OCT buscan medir las propiedades polarimétricas no- despolarizantes de una muestra, es decir, aquellas que están directamente relacionadas con la anisotropía de las mismas. A lo largo del documento se entenderá que la anisotropía de una muestra es la dependencia del índice de refracción de la muestra en función de la dirección del espacio.
Las propiedades anisótropas se dividen en dos efectos que modifican diferentes propiedades de la polarización de la luz: la birrefringencia, que modifica de forma asimétrica la fase de las componentes del vector de campo eléctrico y por lo tanto altera la diferencia de fase relativa entre ellas; y el dicroísmo, que modifica de forma asimétrica la amplitud de las componentes del vector de campo eléctrico. La birrefringencia y el dicroísmo están directamente relacionados con el índice de refracción complejo del medio. Ambos efectos alteran el estado de polarización de los haces. El efecto acumulado de la birrefringencia y el dicroísmo sobre la polarización de los haces que atraviesan un medio que presenta dichas propiedades produce a nivel macroscópico retardancia y diatenuación, respectivamente.
Se entiende por estado de polarización al lugar geométrico descrito a lo largo del tiempo por el vector de campo eléctrico en un plano perpendicular a la dirección de propagación del haz de luz en un punto fijo del espacio. En el caso más general, el lugar geométrico es una elipse. Dos situaciones particulares y especialmente relevantes de dicha elipse son su simplificación en una línea -en cuyo caso se trata de luz linealmente polarizada- o en un círculo -luz circularmente polarizada. Cualquier estado de polarización se puede descomponer en tres componentes que cuantifican respectivamente la componente del haz linealmente polarizada según la dirección horizontal, linealmente polarizada según la dirección vertical, y circularmente polarizada.
La anisotropía de un medio queda completamente descrita por tres parámetros que describen la asimetría del índice de refracción complejo en el espacio. Dicha asimetría se puede caracterizar matemática y físicamente por lo que se conoce como el vector propio del medio, que se define como el vector de campo eléctrico de aquél estado de polarización que permanece inalterado a su paso por el medio. De este modo, la anisotropía de un medio se expresa en base a las componentes lineal horizontal, lineal vertical y circular de su vector propio; estando dichas direcciones referidas al plano perpendicular a la dirección de propagación del haz de luz. Por lo tanto, existen 6 parámetros anisótropos en el caso más general, 3 para la birrefringencia y 3 para el dicroísmo. A estos 6 parámetros se suman el retardo de fase y la atenuación isótropos (común a las componentes del vector de campo eléctrico), lo que resulta en un total de 8 parámetros. La caracterización completa de los parámetros anisótropos mediante un sistema PS-OCT requiere realizar, al menos, tantas medidas independientes como parámetros se desee determinar, lo que supone utilizar arquitecturas PS-OCT complejas en donde el tiempo total de análisis es elevado.
Sin embargo, se conoce que la propiedad anisótropa dominante en tejidos biológicos es la birrefringencia lineal, también conocida como retardancia lineal. Esto posibilita que, cuando el sistema PS-OCT toma medidas sobre tejidos biológicos, las muestras se pueden caracterizar de forma completa por medio de solo tres parámetros: retardancia lineal, orientación del eje óptico y reflectancia. A lo largo del documento, se entenderá que la retardancia lineal es el módulo de la componente lineal de la anisotropía, la orientación del eje óptico es el ángulo de dicha componente lineal, y la reflectancia está relacionada con la atenuación isótropa; en particular, es la componente de la luz que no ha sido atenuada y que se mide. Ventajosamente, en el contexto preferido de la invención, se pueden emplear arquitecturas PS-OCT más sencillas, rápidas y menos costosas económicamente.
De manera preferida, el sistema PS-OCT según la invención es de tipo Single Input Polarization State, de ahora en adelante SIPS. Este tipo de sistemas SIPS se basan en la iluminación de la muestra mediante un único estado de polarización y en su análisis a lo largo de dos direcciones de polarización utilizando detectores con diversidad de polarización. A lo largo del documento se entenderá que un detector con diversidad de polarización - o simplemente detector - es un detector o sensor sensible a la polarización capaz de medir la intensidad y la fase correspondiente a estados de polarización concretos. Ventajosamente, el uso de un sistema PS- OCT basado en arquitectura SIPS permite alcanzar un alto nivel de optimización en cuanto a velocidad de medida, coste del sistema, y complejidad.
El haz emitido por la fuente óptica es recibido por una unidad de medida. A lo largo del documento, se entenderá que la unidad de medida es un módulo con componentes ópticos configurados para realizar medidas sobre una muestra. Dicha unidad de medida comprende un divisor de haz, o simplemente divisor, que ha de entenderse como un elemento óptico configurado para recibir un haz de luz y dividirlo en al menos dos haces de luz diferentes. En el contexto de la invención, el divisor de haz divide el haz de la fuente óptica en un haz de referencia y un haz de muestra. El sistema PS-OCT según la invención puede comprender divisores de haz insensibles o sensibles a polarización en volumen o en fibra. Por ejemplo, un cubo separador de haces o una lámina reflectora. A Io largo del documento, se entenderá que "brazo" es un módulo óptico que recibe un haz de luz y devuelve otro haz de luz, preferiblemente habiendo interactuado con al menos un componente óptico. A lo largo del documento, como "modo operativo" se entenderá el tiempo en que el sistema PS-OCT está en uso o en activo.
Por un lado, el haz de muestra se dirige a un brazo de muestra. Los componentes ópticos comprendidos en dicho brazo de muestra permiten enfocar el haz de muestra sobre la muestra de forma que ésta lo refleja y/o retroesparce, al menos en parte, en función, principalmente, de su índice de refracción. Por otro lado, el haz de referencia viaja hacia un brazo de referencia que comprende un primer bloque de referencia, entendiendo como tal un sub-módulo óptico. El primer bloque de referencia comprende un primer retrorreflector sobre el que incide el haz de referencia de forma que dicho haz es reflejado y/o retroesparcido, al menos en parte, por dicho primer retrorreflector. A lo largo del documento, como retrorreflector ha de entenderse un elemento óptico que refleja y/o retroesparce un haz de luz en sentido contrario al sentido de incidencia. Ejemplos de retrorreflectores son espejos, prismas retrorreflectores por reflexión total interna, prismas retrorreflectores especulares, cubos reflectores, espejos de Faraday, etc.
Al menos uno de los brazos de muestra y referencia comprende/n, adicionalmente, un elemento de control de polarización. A lo largo del documento, se entenderá por elemento de control de polarización un elemento óptico que establece la polarización de los haces de luz que lo atraviesan. En particular, el o los elementos de control de polarización han de establecer la polarización del haz de referencia de forma que exista señal de referencia en los estados de polarización que van a leerse mediante algún tipo de sensor y/o analizarse.
Los elementos de control de polarización pueden implementarse en fibra o en volumen; por ejemplo, polarizadores, láminas de retardo, o moduladores fotoelásticos. En un ejemplo particular, la polarización del haz a la salida del elemento de control de polarización es circular. En otro ejemplo particular, la polarización es lineal con orientación horizontal o vertical.
Los haces de referencia y de muestra reflejados y/o retroesparcidos en los brazos de referencia y de muestra son posteriormente combinados y enviados a un segundo bloque de referencia comprendido en el brazo de referencia. En este segundo bloque de referencia, el haz combinado vuelve a dividirse en un primer haz que se denominará de muestra-detector, que viaja en dirección al detector del sistema, y un segundo haz que se denominará de referencia-detector, que recorre un camino óptico auxiliar antes de dirigirse hacia el detector. Una vez el segundo haz de referencia-detector atraviesa el camino óptico auxiliar, éste vuelve a combinarse con el primer haz de muestra-detector y, en combinación, alcanzan el detector.
El objetivo del camino óptico auxiliar es la introducción de una longitud de camino óptico relativo entre el haz de referencia y el de muestra con el objetivo de igualarlos y conseguir así interferencia entre ellos. Es importante destacar que este segundo bloque de referencia no introduce ninguna fluctuación relativa en las polarizaciones de los estados de polarización de los haces de referencia y de muestra.
Los elementos de esta arquitectura del sistema PS-OCT según la invención están conectados ópticamente entre sí a través de conexiones ópticas. A lo largo del documento, se entenderá que conexiones ópticas son cualquier tipo de conexión que permita establecer una continuidad de propagación óptica entre dos o más elementos. De manera preferida, las conexiones ópticas son fibras ópticas y comunicaciones ópticas en espacio libre entendiendo en este segundo caso que el haz no atraviesa un elemento material sino que se propaga o bien en el vacío o bien a través una determinada atmósfera o bien con una composición preestablecida o bien aire. De manera aún más preferida, las fibras ópticas son mantenedoras de la polarización.
En caso de que el sistema PS-OCT comprenda fibras ópticas, han de tenerse en cuenta ciertas consideraciones.
Si las fibras utilizadas son monomodo estándar, es necesario tomar medidas frente a las perturbaciones que introducen. Estas fibras son extremadamente susceptibles a perturbaciones que inducen cambios aleatorios y muy rápidos en el índice de refracción en ambas direcciones, incluyendo estrés interno, fuerzas externas, curvaturas, torsiones, elongaciones, variaciones de temperatura, variaciones de presión, etc. En consecuencia, la fibra introduce birrefringencia residual no controlada y por lo tanto se comporta como un retardador inestable, lo que resulta en una modificación arbitraria en todos los estados de polarización implicados en el sistema. La aleatorización polarimétrica introducida por las fibras estándar ha de mitigarse utilizando controladores de polarización que constriñen el efecto producido por la fibra o utilizar soluciones más avanzadas basadas en la realización de múltiples medidas y en su análisis algorítmico.
Por el contrario, si se utilizan fibras mantenedoras de polarización, éste problema de perturbaciones se resolvería por la propia construcción de las fibras. Estas fibras están diseñadas para mantener el estado de polarización de uno o varios estados específicos. Típicamente se diseñan para inyectar luz linealmente polarizada alineada con el eje rápido o lento de la fibra; por ejemplo, fibras PANDA, y mantienen dicho estado de polarización a la salida. Alternativamente, existen fibras diseñadas para obtener el mismo comportamiento con luz circularmente polarizada; por ejemplo, con fibras SPUN. Por lo tanto, las fibras mantenedoras de polarización se comportan como un retardador estable. Las desventajas asociadas a las fibras mantenedoras de polarización son principalmente que su coste es superior al de las estándar, que requieren una buena compensación de la dispersión de modos de polarización, y que exigen atención en caso de que se desee realizar algún tipo de operación que produzca tensiones en la fibra que puedan introducir tensiones acusadas en su estructura interna y, por lo tanto, modificar sus propiedades mantenedoras de polarización. Cabe mencionar también que, en caso de que se utilicen estas fibras mantenedoras de polarización, el resto de componentes en fibra también deben cumplir con este requisito y adaptarse a los parámetros y tolerancias exigidas.
Esta arquitectura del sistema PS-OCT según la invención, ventajosamente, cumple dos requisitos esenciales para la medida:
1) Controla la polarización de manera estable para evitar que existan fluctuaciones que alteren las medidas. De no ser así, las diferencias en las medidas podrían llegar a atribuirse a la muestra cuando en realidad serían fruto del propio sistema; por tanto, los resultados obtenidos no serían fieles a la realidad.
2) Ajusta el camino óptico para que exista interferencia entre el haz de referencia y de muestra; es decir, el sistema de la invención fuerza la existencia del camino óptico auxiliar para que el camino óptico recorrido por ambos haces a lo largo de su recorrido completo sea el mismo. Esta igualación de caminos es indispensable en sistemas de tomografía de coherencia óptica.
Así, la arquitectura del sistema PS-OCT de la invención supera, ventajosamente, los principales obstáculos del estado de la técnica. Por un lado, las dimensiones del brazo de referencia de la unidad de medida se reducen considerablemente gracias a la separación del mismo en los bloques de referencia primero y segundo. Esto permite una reducción en el peso, volumen, manejabilidad, estabilidad y complejidad del dispositivo de medida que posibilita su utilización en procedimientos mínimamente invasivos. Por otro lado, se asegura en todo momento la robustez de la medida pues los haces de referencia y muestra están sometidos a perturbaciones idénticas y sus estados de polarización evolucionan del mismo modo.
En una realización particular, el segundo bloque de referencia adicionalmente comprende un segundo retrorreflector sobre el que incide el segundo haz de referencia-detector al recorrer el camino óptico auxiliar.
Como ya se ha comentado, el objetivo del camino óptico auxiliar es igualar los caminos ópticos recorridos por los haces de referencia y de muestra. Esto implica que el camino óptico auxiliar tenga que ser de una longitud determinada, el necesario para que el camino óptico del haz de referencia y de muestra sean ¡guales. Al emplear un segundo retrorreflector, la longitud del camino óptico auxiliar se controla de manera sencilla y eficaz pues dicho camino óptico auxiliar estará definido por el camino de ¡da y vuelta del haz que incide sobre él, en este caso, el segundo haz de referencia-detector.
La posición del segundo retrorreflector, por tanto, no es arbitraria sino que tiene que garantizar la igualación de caminos para que el sistema pueda medir la interferencia entre los haces de muestra y referencia.
En una realización particular, el primer haz de muestra-detector recorre un segundo camino óptico auxiliar antes de ser provisto al detector con diversidad de polarización en combinación con el segundo haz de referencia-detector. En una realización particular, el segundo bloque de referencia adicionalmente comprende un tercer retrorreflector sobre el que incide el primer haz de muestra-detector al recorrer el segundo camino óptico auxiliar.
Al igual que ocurre con el haz de referencia-detector, el haz de muestra-detector, antes de incidir en combinación con el primero sobre el detector, también puede recorrer un segundo camino óptico auxiliar. La longitud de dicho segundo camino óptico auxiliar tiene que cumplir con el requisito de igualación de caminos ópticos entre los haces de referencia y de muestra.
Al emplear un tercer retrorreflector, la longitud de este segundo camino óptico auxiliar se controla de manera sencilla y eficaz posicionando dicho retrorreflector de tal manera que la suma de los caminos de ¡da y vuelta del haz de muestra-detector satisfaga la igualación de caminos ópticos.
En una realización particular, los elementos divisores de luz están adaptados para que la potencia total del haz de luz dividido se separe en porcentajes preestablecidos.
Los elementos divisores de luz pueden separar los haces de luz que inciden sobre ellos en al menos dos haces con una potencia seleccionable. En un ejemplo preferido, los elementos divisores separan los haces en dos, cada uno de los cuales tiene una potencia del 50%.
Según otros ejemplos de realización algunos de los componentes ópticos de uno de los haces puede tener un nivel de señal distinto. Un posible motivo de diferencia en la señal es que la reflexión en los retrorreflectores del haz de referencia provee de un haz reflejado con mucha mayor intensidad que la luz que proviene de la reflexión en la muestra. La selección del porcentaje de potencia de uno y otro haz de luz permite compensar este distinto nivel de señal.
En una realización particular, el brazo de muestra adicionalmente comprende una unidad de escaneado adaptada para dirigir de forma controlada el haz de muestra a posiciones determinadas de la muestra y para redigirir recíprocamente los fotones reflejados y/o retroesparcidos gue viajan en dirección contraria. En una realización particular, la unidad de escaneado comprende:
- un espejo galvanométrico de dos ejes, o
- una fibra óptica escaneado mecánicamente, o
- un escáner MEMS, o
- un espejo poligonal rotatorio, o
- un escáner holográfico, o
- un escáner por efecto optoacústico, o
- una agrupación de fibras ópticas con escaneo en el extremo proximal fibra a fibra.
La unidad de escaneado de la unidad de medida es un escáner óptico configurado para, por un lado, dirigir el haz de muestra hacia posiciones deseadas de dicha muestra y, por otro lado, para redirigir el haz de muestra reflejado y/o retroesparcido que viaja en sentido contrario. El desplazamiento de las posiciones de incidencia del haz permite que la lectura se lleve a cabo en una región de la muestra y no solo en un punto.
La arquitectura del sistema de la invención, ventajosamente, habilita la realización de métodos de escaneo muy diversos. Al aligerar el brazo de muestra es posible incluir medios de escaneo sin que éstos interfieran espacialmente con los medios asociados al brazo de referencia. Algunos ejemplos de unidad de escaneado se exponen más arriba sin que dichos ejemplos sean limitativos.
En una realización particular, el tipo de polarización establecida por el al menos un elemento de control de polarización es de tipo lineal con una orientación predeterminada o de tipo circular, estando dicho al menos un elemento de control de polarización basado en: - elementos polarimétricos convencionales, preferentemente polarizadores o láminas de retardo; o
- birrefringencia inducida por estrés en fibra; o
- cristales líquidos; o
- moduladores fotoelásticos; o
- células de Pockels; o
- elementos microestructurados o nanoestructurados, preferentemente polarizadores de red; o
- elementos holográficos, o
- una combinación de cualquiera de los anteriores.
Los ejemplos de elementos de control de polarización no son limitativos, podiendo existir otros perfectamente válidos en el contexto de la invención.
Todos estos elementos controlan la polarización de los haces de luz que lo atraviesan de forma que, a su salida, los haces están polarizados en el estado de polarización determinado por el efecto del elemento de control de polarización sobre el estado de polarización incidente, estando el elemento de control de polarización configurado para que el haz a su salida tenga una polarización predeterminada, o circular, o lineal con orientación horizontal, o lineal con orientación vertical.
De manera preferida, el haz de muestra está circularmente polarizado ya que las ecuaciones para calcular la retardancia lineal y la orientación del eje óptico se simplifican considerablemente y, además, se maximiza la modificación polarimétrica introducida por la muestra sobre el estado de polarización incidente facilitando la medida.
En una realización particular, el segundo bloque de referencia comprende adicionalmente al menos un elemento de ajuste de potencia, preferentemente un iris, configurado para ajustar el nivel de potencia de al menos uno de los haces de luz que pasan por el segundo bloque de referencia.
Los haces que alcanzan el detector han de cumplir un compromiso entre no saturar a dicho detector a la vez que disponen de un nivel de potencia suficiente para la sensibilidad y el rango dinámico específicos de dicho detector. Ventajosamente, la arquitectura de la invención contempla el uso de elementos de ajuste de potencia que persiguen este fin. De manera preferida, el elemento de ajuste de potencia es un iris ubicado en el camino óptico del haz de referencia-detector que permite al usuario ajustar el nivel de potencia de la señal de referencia para evitar saturar el detector y poder aprovechar de forma óptima el rango dinámico de medida de los detectores.
En una realización particular, el primer elemento divisor de haz es un reflector parcial adaptado para dejar pasar un porcentaje determinado del haz de luz - el haz de muestra - hacia el brazo de muestra; y reflejar el resto del haz de luz - el haz de referencia reflejado.
En esta realización, la reflexión de los haces de referencia y de muestra se realiza de manera coaxial, es decir, sobre un eje común. El elemento divisor de haz divide el haz de luz proveniente de la fuente en el haz de muestra y el haz de referencia. El haz de muestra se dirige hacia la muestra y el haz de referencia es, directamente, el propio haz de referencia reflejado devuelto por el primer bloque de referencia. La potencia de uno y otro haz es seleccionable, siendo de manera preferida un 50% para cada uno de los haces.
En esta realización particular, por tanto, el elemento divisor de luz cumple una doble función. Por un lado, separa los haces y, por otro lado, actúa como el primer bloque de referencia devolviendo el haz de referencia reflejado. En particular, actúa como el primer retrorreflector de este primer bloque de referencia.
Este tipo de arquitectura coaxial conlleva una importante ventaja: la miniaturización de la unidad de medida. Esto es posible gracias a que el primer bloque de referencia se ha reducido a su mínima expresión. Así, esta arquitectura es especialmente interesante en procedimientos médicos mínimamente invasivos y, en particular, en cirugías mínimamente invasivas robotizadas.
En una realización particular, el brazo de muestra adicionalmente comprende un sistema de enfoque configurado para enfocar el haz de muestra sobre la muestra, siendo el sistema de enfoque del tipo:
- refractivo, o
- reflectivo, o
- difractivo, o
- array de lentes. La arquitectura del sistema PS-OCT según la invención permite que la óptica del sistema de enfoque de la unidad de medida pueda ser de varios tipos. En el párrafo anterior se incluyen varios ejemplos no limitativos.
En una realización particular, el sistema adicionalmente comprende un primer elemento de gestión de haces, preferiblemente un circulador óptico, adaptado para recibir el haz de luz de la fuente óptica y redirigirlo hacia la unidad de medida, y recibir el haz de luz combinado proveniente de la unidad de medida y redirigirlo hacia el segundo blogue de referencia.
La arquitectura del sistema PS-OCT según la invención puede incorporar elementos de gestión de haces, que son de carácter óptico, para dirigir en la dirección deseada los diferentes haces de luz. De manera preferida, el elemento de gestión de haces es un circulador óptico ya que, de manera sencilla y eficaz, se consigue dirigir el haz de la fuente hacia la unidad de medida y el haz combinado devuelto por la unidad de medida, que contiene la información de relevancia para la adquisición de la imagen óptica, se redirige hacia el segundo bloque de referencia. De manera aún más preferida, el circulador óptico es un circulador mantenedor de la polarización. En otro ejemplo particular, el elemento de gestión de haces es un acoplador óptico.
En una realización particular, el sistema adicionalmente comprende un segundo elemento de gestión de haces, preferiblemente un circulador óptico, configurado para recibir el haz de luz combinado proveniente del primer elemento de gestión de haces, si existe, o de la unidad de medida y redirigirlo hacia el segundo blogue de referencia; y recibir el segundo haz de luz combinado proveniente del segundo blogue de referencia y redirigirlo hacia el detector con diversidad de polarización.
El sistema de la invención puede incluir un segundo elemento de gestión de haces, que puede actuar en solitario o en conjunto con el primer elemento de gestión de haces. En el primero de los casos, el segundo elemento de gestión recibe el haz combinado directamente desde la unidad de medida mientras que en el segundo de los casos lo recibe del primer elemento de gestión de haces.
De manera preferida, el elemento de gestión de haces es un circulador óptico ya que, de manera sencilla y eficaz, se consigue dirigir el haz combinado, sea cual sea su procedencia, hacia el segundo bloque de referencia y, a su vez, se redirige el segundo haz combinado desde el segundo bloque de referenda hacia el detector. De manera aún más preferida, el circulador óptico es un circulador mantenedor de la polarización. En otro ejemplo particular, el segundo elemento de gestión de haces es un acoplador óptico.
En una realización particular, las conexiones ópticas entre los elementos del sistema se establecen:
- mediante fibras ópticas monomodo estándar, o
- mediante fibras ópticas mantenedoras de la polarización, o
- mediante guías de onda, o
- en espacio libre; o
- mediante una combinación de cualesquiera de las anteriores.
Como ya se ha comentado, las conexiones ópticas entre los elementos del sistema pueden ser de diversos tipos. En el párrafo anterior se exponen algunos ejemplos no limitativos.
Aquellas realizaciones en las que el sistema PS-OCT según la invención están basadas en fibra han de tener en cuenta cuáles son las ventajas y desventajas de utilizar fibras monomodo estándar o fibras mantenedoras de la polarización descritas anteriormente en este documento.
En particular, los sistemas PS-OCT en los que uno o varios módulos están implementados en fibra surgieron, entre otras razones, debido al desarrollo de dispositivos médicos mínimamente invasivos. Gracias a su implementación en fibra se facilita, por un lado, el guiado de la luz desde la fuente hasta la unidad de medida, por ejemplo, un catéter, un endoscopio, una sonda, una aguja, un escáner de mano, o similar. Por otro lado, se favorece el manejo de dicho módulo e incluso su inserción en el paciente para la realización de medidas y procedimientos mínimamente invasivos.
En una realización particular, el paso de fibra óptica a espacio libre se establece a través de un colimador, en caso de que existan ambos tipos de conexiones ópticas en el sistema.
A lo largo del documento, se entenderá que un colimador es un elemento óptico que colima el haz de luz que recibe para dirigirlo en una dirección específica. Así, el uso de colimadores en el contexto de la invención ventajosamente permite el aprovechamiento de toda la potencia de los haces evitando que se dispersen con la distancia. Además, permite fácilmente acoplar a fibra los haces provenientes del espacio libre. En una realización particular, el/los retrorreflectores son móviles o fijos y en donde dichos retrorreflectores son de alguno de los siguientes tipos:
- espejo, o
- prisma retroreflector por reflexión total interna, o
- prisma retroreflector especular, o
- cubo reflector, o
- espejo de Faraday, o
- recubrimiento total o parcialmente reflectante metálico, o
- recubrimiento total o parcialmente reflectante dieléctrico, o
- recubrimiento total o parcialmente reflectante nanoestructurado, o
- recubrimiento total o parcialmente reflectante aplicado sobre la faceta de entrada o salida de una fibra óptica,
- una combinación de cualguiera de los anteriores.
Cuando el sistema PS-OCT según la invención está diseñado en el dominio espectral, tanto basados en espectrómetros como en fuentes de barrido, el o los retrorreflectores son fijos. Por el contrario, cuando el sistema PS-OCT está implementado en el dominio temporal, el o los retrorreflectores son móviles.
Se dice que un sistema PS-OCT está implementado en el dominio espectral (o dominio de Fourier) cuando la información tomográfica se obtiene a partir de una medida de señal interferométrica en función de la longitud de onda. Existen dos tipos de implementaciones en el dominio espectral. Por un lado, los sistemas en el dominio espectral basados en espectrómetro utilizan típicamente una fuente de luz parcialmente coherente (habitualmente un diodo superluminiscente SLED) y uno o varios espectrómetros como detectores, de modo que la medida del espectro se realiza en un instante temporal y la potencia del haz se distribuye en todo el rango de longitudes de onda medidas. Por otro lado, los sistemas en el dominio espectral basados en fuentes de barrido utilizan fuentes de barrido espectral y uno o varios fotodiodos como detectores, de modo que en cada instante se realiza una medida de toda la potencia del haz a una longitud de onda concreta y la repetición de dicha medida para todas las longitudes de onda barridas por la fuente termina por componer el espectro medido.
Se dice que un sistema PS-OCT está implementado en el dominio temporal cuando la información tomográfica se obtiene a partir de una medida de señal interferométrica en función del tiempo. Los sistemas en el dominio temporal utilizan típicamente una fuente de luz parcialmente coherence y un fotodiodo como detector que registra la variación de la señal interferométrica en función del tiempo a medida que el o los retrorreflectores se desplazan.
La arquitectura del sistema PS-OCT según la invención permite que el tipo de dichos retrorreflectores sea muy variable. Así, los ejemplos no limitativos expuestos anteriormente pueden utilizarse en cualquier realización de la invención.
En una realización particular, el dominio del sistema es uno de los siguientes:
- dominio temporal, o
- dominio espectral o dominio de Fourier, o
- dominio espectral basado en espectrómetro, o
- dominio espectral basado en fuente de barrido.
Si bien un haz de luz está formado por una onda electromagnética que puede ser caracterizada por su longitud de onda y, ésta determina de forma unívoca la frecuencia a través de la velocidad de propagación, tal y como es práctica en este ámbito de la técnica no se utilizará el término frecuencia y solo se caracterizará un haz de luz a través de su longitud de onda.
A su vez, un haz de luz, incluso con una determinada longitud de onda, puede ser modulada en amplitud y/o en fase y esta modulación será conforme a una o más frecuencias. El término frecuencia se reservará solo a esta variable, la modulación de la amplitud y/o de la fase.
Como ya se ha comentado a lo largo del documento, los sistemas PS-OCT según la invención pueden diseñarse en diferentes dominios como los expuestos en el párrafo anterior. La única consideración a tener en cuenta es que los elementos del sistema tienen que ser aptos para dicho dominio; en particular, la fuente, el detector con diversidad de polarización y el tipo de retrorreflectores.
En una realización particular, la fuente óptica es de tipo:
- parcialmente coherente, preferiblemente un diodo superluminiscente; o
- de barrido en longitud de onda.
En los sistemas de PS-OCT según la invención en el dominio temporal y en el dominio espectral basados en espectrómetro, la fuente óptica es una fuente parcialmente coherente, típicamente un diodo superluminiscente (SLED), mientras que en los de dominio espectral de barrido la fuente óptica es una fuente de barrido en longitud de onda (swept-source). En una realización particular, la fuente óptica comprende adicionalmente un elemento aislante adaptado para eliminar haces de luz residuales que viajen hacia dicha fuente óptica.
Las componentes de los haces de luz residuales que emergen hacia la fuente no cumplen ninguna función esencial en el sistema e incluso pueden producir perturbaciones indeseadas en la emisión de la fuente por lo que, ventajosamente, se pueden eliminar mediante un elemento aislante, por ejemplo un aislador óptico, para evitar posibles interferencias con la propia fuente.
En una realización particular, el detector con diversidad de polarización comprende:
- uno o varios f otad iodos rápidos; o
- uno o varios detectores balanceados o autobalanceados basados en fotodiodos rápidos; o
- uno o varios espectrómetros.
El tipo de detector del sistema PS-OCT según la invención, al igual que la fuente, depende del dominio en que esté diseñado el sistema. Así, en sistemas de PS-OCT en el dominio temporal el detector es de tipo fotodiodo rápido, en sistemas de PS-OCT en el dominio espectral es de tipo espectrómetro y en el dominio de barrido es de tipo fotodiodo rápido, típicamente en configuraciones avanzadas especialmente robustas frente a ruido común; por ejemplo, detectores balanceados.
En una realización particular, el detector con diversidad de polarización comprende un elemento separador de polarizaciones adaptado para proyectar el segundo haz de luz combinado que recibe en diferentes direcciones en función del estado de polarización de sus componentes.
En una realización particular, el detector con diversidad de polarización comprende al menos dos sub-detectores adaptados para medir simultáneamente las componentes de polarización del haz de luz combinado.
La sensibilidad a la polarización se puede conseguir mediante un elemento separador de polarizaciones, como por ejemplo un cubo separador de haces que proyecta la componente polarizada del haz según un estado de polarización hacia una dirección y la componente polarizada del haz según el estado de polarización ortogonal al primero hacia otra dirección. En estos casos, los sistemas de PS-OCT según la invención utilizan dos sub-detectores que miden simultáneamente los dos estados de polarización analizados. En una realización particular, el detector con diversidad de polarización está adaptado para medir las componentes de polarización del haz de luz combinado multiplexando las medidas. En una realización particular, la multiplexación se realiza:
- en el dominio temporal mediante al menos dos medidas consecutivas; o
- en el dominio espectral mediante al menos dos medidas simultáneas en diferentes partes del detector; o
- en el dominio espectral mediante al menos dos medidas en diferentes regiones del espectro; o
- en el dominio frecuencia! mediante medidas moduladas a diferentes frecuencias.
Como alternativa al uso de dos sub-detectores, existen otros métodos que multiplexan la medida. Como se acaba de comentar, dicha multiplexación puede producirse, entre otros, en el dominio temporal realizando medidas consecutivas con un único detector; en el dominio espectral, realizando medidas simultáneas en diferentes partes del detector gracias a una unidad de retraso de polarización o medidas en diferentes bandas del espectro; y en el dominio frecuencial, realizando medidas moduladas a diferentes frecuencias.
En una realización particular, el sistema es de tipo MIPS (Multiple Input Polarization States).
Como ya se ha comentado, de manera preferida, el sistema PS-OCT según la invención es de tipo SIPS ya que se conoce que la propiedad anisótropa dominante en tejidos biológicos es la birrefringencia lineal, lo que posibilita que, cuando el sistema PS-OCT toma medidas sobre tejidos biológicos, las muestras se pueden caracterizar de forma completa gracias a esta sencilla arquitectura. Los sistemas SIPS se basan en la iluminación de la muestra mediante un único estado de polarización y en su medida a lo largo de dos direcciones de polarización utilizando detectores con diversidad de polarización.
Sin embargo, es posible que el sistema de la invención se utilice con otro tipo de muestras donde se requieran medidas y análisis más complejos debido a la presencia de propiedades anisótropas adicionales o no se conozca ninguna propiedad anisótropa dominante. En estos casos, el sistema PS-OCT según la invención es de tipo MIPS (Multiple Input Polarization States).
Los sistemas SIPS aspiran a caracterizar tres parámetros: reflectancia, retardancia lineal, y orientación del eje óptico; sin embargo, los sistemas MIPS obtienen parámetros extra, por ejemplo, la diatenuación lineal o la actividad óptica. Para ello, la muestra se ilumina con varios estados de polarización que se miden a su vez según varias direcciones de polarización. En caso de que se determinen de forma completa las propiedades polarimétricas no despolarizantes del material, se suele hablar de sistema PS-OCT completo, Jones-PS-OCT, o Mueller-PS-OCT.
En una realización particular, la unidad de medida es una herramienta manual.
De manera preferida, la unidad de medida se utiliza en procedimientos médicos y es, según el caso: una herramienta, un útil, un escáner, un cabezal quirúrgico, un microscopio, una cámara, un catéter, un endoscopio, una sonda, una aguja o un escáner de mano, entre otros.
En una realización particular, la unidad de escaneado comprende una fibra óptica con escaneado mecánico, en donde el escaneado mecánico se realiza por medio de un actuador piezoeléctrico.
El escaneado o escaneo mecánico mediante la fibra se consigue fijando la fibra a un tubo piezoeléctrico al que se aplican señales de radiofrecuencia con el objetivo de producir una resonancia mecánica controlada en amplitud y fase en dos ejes perpendiculares y distintos, preferiblemente contenidos en un plano perpendicular a la dirección de la fibra. Gracias a esta operación se puede conseguir un patrón espacial determinado de escaneado de la muestra en función del tiempo; por ejemplo, siguiendo una espiral en función del tiempo. Las ventajas de este modo de escaneo radican en su idoneidad para la miniaturización de la unidad de medida y en la amplitud de escaneo de campo de visión que se puede conseguir en régimen resonante, lo que la convierte en una opción de diseño muy interesante para la realización de dispositivos mínimamente invasivos.
En un segundo aspecto inventivo, la invención proporciona el uso del sistema del primer aspecto inventivo en un procedimiento de cirugía mínimamente invasiva robotizada.
Como se ha comentado a lo largo del documento, la arquitectura del sistema PS-OCT según la invención es apta para dispositivos médicos utilizados en procedimientos mínimamente invasivos ya que la unidad de medida se miniaturiza a la vez que la robustez de las medidas está garantizada al reducirse o incluso eliminarse el efecto de las perturbaciones en la medida.
La miniaturización de la unidad de medida proporciona ventajas evidentes para estos dispositivos mínimamente invasivos pues su peso y volumen se ven enormemente reducidos permitiendo una mayor manejabilidad y estabilidad de la misma. De forma más particular, el sistema según la invención es especialmente interesante para usarse en cirugías mínimamente invasivas robotizadas en las que la unidad de medida está sujeta a perturbaciones continuas y debe ser lo más pequeña posible.
Todas las características y/o las etapas de métodos descritas en esta memoria (incluyendo las reivindicaciones, descripción y dibujos) pueden combinarse en cualquier combinación, exceptuando las combinaciones de tales características mutuamente excluyentes.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.
Figuras la-lb En estas figuras se muestran las arquitecturas de un sistema PS-OCT del Estado de la Técnica.
Figuras 2 En esta figura se muestra una esquema general de un sistema PS-OCT con unidad de medida miniaturizada según un ejemplo de realización de la invención.
Figura 3 En esta figura se muestra un primer esquema particular de un sistema PS-
OCT con unidad de medida miniaturizada según un ejemplo de realización de la invención donde el camino auxiliar recorrido por el haz de referencia- detector se basa en un retrorreflector.
Figura 4 En esta figura se muestra un segundo esquema particular de un sistema PS-
OCT con unidad de medida miniaturizada según un ejemplo de realización de la invención donde el haz de muestra-detector recorre un segundo camino auxiliar basado en un retrorreflector.
Figura 5 En esta figura se muestra un primer esquema particular de un sistema PS-
OCT con unidad de medida miniaturizada según un ejemplo de realización de la invención donde se detalla la arquitectura del detector con diversidad de polarización.
Figura 6 En esta figura se muestra una realización de un sistema PS-OCT con unidad de medida miniaturizada según un ejemplo de realización de la invención donde los haces de referenda y muestra viajan a través de un camino coaxial.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Las Figuras la y Ib muestran las arquitecturas genéricas de un sistema PS-OCT del Estado de la Técnica; en particular, la Figura la muestra una arquitectura con caminos separados y la Figura Ib muestra una arquitectura con camino común.
En la arquitectura de caminos separados el elemento central es un acoplador que dirige los haces convenientemente para producir la interferometría. En primer lugar, el camino de iluminación (dirección fuente-muestra) comienza en la fuente óptica (2). El haz (7) emitido por la fuente óptica (2) se inyecta en el primer conector del acoplador, que separa este haz (7) en dos haces con un porcentaje de potencia cada uno de ellos configurable: una parte del haz viaja hacia el brazo de referencia (3.3), el haz de referencia (7.2), y la otra parte viaja hacia la unidad de medida (3), el haz de muestra (7.1), que comprende el brazo de muestra (3.2).
El brazo de referencia (3.3) contiene un reflector (3.3.1.1) sobre el que incide el haz de referencia (7.2) y el brazo de muestra (3.2) está configurado para dirigir el haz de muestra (7.1) hacia la muestra (M) sobre la cual se realizan las medidas. Además, ambos brazos (3.2, 3.3) presentan preferentemente elementos de control de polarización (3.4). En otras realizaciones del estado de la técnica, estos elementos de control de polarización (3.4) están comprendidos solo en uno de los brazos (3.2, 3.3).
Los haces de referencia (7.2) y de muestra (7.1) son reflejados y/o retroesparcidos (7.2r, 7. Ir) por el retrorreflector (3.3.1.1) y por la muestra (M) respectivamente, realizando la propagación inversa a través del camino de medida (dirección muestra-detector).
El acoplador, en este punto, realiza dos funciones:
- combina ambos haces en un haz combinado (7.3) dado que ambos provenían de brazos (3.2, 3.3) diferentes; y
- divide el haz combinado (7.3) en dos componentes, al igual que hacía en el camino de iluminación, viajando dichas componentes hacia el detector con diversidad de polarización (4) y hacia la propia fuente óptica (2). Esta componente que viaja hacia la fuente óptica (2) - no mostrada en la figura - no cumple ninguna función esencial en el sistema.
Finalmente, el detector con diversidad de polarización (4) efectúa la medida analizando las componentes que llegan a él. Esta arquitectura se enfrenta a un problema relativo al control de la polarización debida al hecho de que el haz de referencia (7.2) y el haz de muestra (7.1) atraviesan tramos de fibra separados. Aunque se realicen todos los esfuerzos por controlar estrictamente la polarización en el sistema, existen fluctuaciones de fase y perturbaciones polarimétricas que pueden afectar de forma asimétrica a ambos haces (7.1, 7.2), alterando sus polarizaciones relativas y por lo tanto deteriorando la medida de PS-OCT. La escala temporal a la que se produce el impacto de estas fluctuaciones depende de factores no controlados, y típicamente tiene un efecto observable durante una sola medida. Esto es inasumible en sistemas de PS-OCT para dispositivos médicos ya que su funcionamiento debe ser robusto durante largos periodos de tiempo y, en particular, durante la realización del procedimiento clínico.
Como se ha adelantado más arriba, la Figura Ib muestra la arquitectura genérica de un sistema PS-OCT del estado de la técnica con caminos comunes. En este tipo de arquitectura el elemento central no es un acoplador sino un circulador óptico que dirige el haz (7) emitido por la fuente óptica (2) hacia un elemento divisor de haz (3.1). Este divisor (3.1) separa el haz (7) en dos, el haz de referencia (7.2) y el haz de muestra (7.1).
Ambos haces (7.1, 7.2) son reflejados y/o retroesparcidos (7. Ir, 7.2r) por la muestra (M) y por el retrorreflector (3.3.1.1) y realizan la propagación inversa a través del camino de medida (dirección muestra-detector). Las consideraciones relativas al resto del sistema son idénticas a las comentadas para la arquitectura de caminos separados, salvo por la diferencia de que en este caso el circulador óptico dirige íntegramente el haz combinado (7.3) hacia el detector con diversidad de polarización (4) sin que exista ninguna componente que viaje hacia la fuente óptica (2).
Como se puede observar en la Figura Ib, la característica esencial de esta implementación es que los haces de referencia (7.2) y muestra (7.1) atraviesan exactamente el mismo camino a través de la fibra. Por lo tanto, están sometidos a perturbaciones idénticas y sus estados de polarización evolucionan del mismo modo. Esto es cierto mientras no existan efectos de diatenuación indeseados en los componentes en fibra, cosa que en la práctica se cumple porque la diatenuación residual de los elementos comerciales se encuentra en rangos bajos. Al sufrir exactamente las mismas modificaciones, la polarización relativa entre los estados de polarización de muestra y de referencia se mantiene. En consecuencia, esta implementación es constructivamente robusta frente a perturbaciones y fluctuaciones del sistema de medida.
Esta característica convierte la arquitectura de camino común en una opción más interesante que la de caminos separados para la construcción de sistemas de PS-OCT para dispositivos médicos. Sin embargo, presenta una desventaja práctica: la ubicación del brazo de referencia (3.3) y el volumen que ocupa es problemático para la realización de sistemas mínimamente invasivos.
En la implementación con caminos separados, el brazo de referencia (3.3) está situado al final de un tramo de fibra y el brazo de muestra (3.2) al final de otro tramo de fibra independiente. Los tramos de fibra pueden ser bastante largos, por ejemplo entre 2 y 5 metros, por lo que el brazo de referencia (3.3) puede situarse alejado del brazo de muestra (3.2) situado en las inmediaciones de la muestra (M). De hecho, típicamente el brazo de referencia (3.3) está ubicado junto a la fuente óptica (2) y al detector (4) en un módulo, mientras que el brazo de muestra (3.2) termina en una herramienta, un útil, un escáner, un cabezal quirúrgico, un microscopio, una cámara, un catéter, un endoscopio, una sonda, una aguja, un escáner de mano, etc.
Por el contrario, en la implementación con caminos comunes mostrada en la Figura Ib el brazo de referencia (3.3) está situado al final de la fibra en el mismo extremo que el brazo de muestra (3.2), por lo que típicamente ambos brazos (3.2, 3.3) están incluidos en la unidad de medida (3). Considerando que la longitud del brazo de referencia (3.3) es directamente proporcional a la del brazo de muestra (3.2), y unida al hecho de que una mayor esbeltez proporciona ventajas evidentes para dispositivos mínimamente invasivos, hace que la inclusión del brazo de referencia (3.3) en la unidad de medida (3) tenga un impacto considerable en el peso, volumen, manejabilidad, y estabilidad de la misma. Adicionalmente, la necesidad de introducir elementos de control de polarización (3.4) en ambos brazos (3.2, 3.3) dentro de la unidad de medida (3) aumenta igualmente la complejidad en el diseño, construcción, ajuste, y estabilidad de dicha unidad (3).
En la Figura 2 se muestra un esquema general de un sistema (1) PS-OCT con unidad de medida miniaturizada según un ejemplo de realización de la invención. La arquitectura de este sistema resuelve los dos problemas principales que suponen las arquitecturas de caminos separados y comunes: la robustez frente a perturbaciones y la reducción del tamaño de la unidad de medida.
Los sistemas (1) PS-OCT según cualquier ejemplo de realización de la invención pueden ser tipo SIPS o MIPS y pueden implementarse en dominio temporal, en dominio espectral basados en espectrómetro y en dominio espectral de barrido basados en fuente de barrido. Las diferencias que introduce cada dominio afectan fundamentalmente a la fuente óptica (2) y al detector (4). En sistemas (1) PS-OCT en el dominio temporal y en el dominio espectral basados en espectrómetro (dominio de Fourier), la fuente óptica (2) es parcialmente coherente, típicamente un diodo superluminiscente (SLED), mientras que los de dominio espectral de barrido utilizan fuentes ópticas (2) de barrido en longitud de onda (swept-source).
En un ejemplo particular, se introducen elementos de control de polarización (3.4) a la salida de la fuente óptica (2). En otro ejemplo, a la salida de la fuente óptica (2) se pueden colocar elementos aislantes, por ejemplo aisladores ópticos, para eliminar las componentes de los haces de luz residuales que emergen hacia dicha fuente óptica (2), evitando así posibles interferencias con la propia fuente óptica (2).
El camino de iluminación (dirección fuente-muestra) comienza en la fuente óptica (2), que emite un haz de luz (7) coherente o parcialmente coherente, dependiendo del dominio del sistema (1). El haz (7) es recibido por la unidad de medida (3), donde es dividido por un elemento divisor de haz (3.1) en un haz de muestra (7.1) y en un haz de referencia (7.2), viajando el primero hacia un brazo de muestra (3.2) y el segundo hacia un brazo de referencia (3.3).
El elemento divisor de haz (3.1) puede ser cualquier tipo de divisor de haz (3.1) insensible o sensible a polarización en volumen o en fibra. En la figura 2 se muestra un cubo separador que desvía el haz 90 grados. Otros ejemplos preferidos de divisores (3.1) son láminas reflectoras que reflejan una parte del haz hacia atrás, el haz de referencia (7.2), y transmiten otra parte del haz, el haz de muestra (7.1).
El brazo de muestra (3.2) es un módulo adaptado para enfocar el haz de muestra (7.1) sobre la muestra (M) de la cual se pretende obtener una medida. De manera preferida, la muestra (M) es un tejido biológico. Dicha muestra (M) refleja y/o retroesparce el haz de muestra (7. Ir) en función, entre otros parámetros, del índice de refracción de la muestra (M) recorriendo el camino inverso de medida (dirección muestra-detector). El brazo de muestra (3.2) también comprende un elemento de control de polarización (3.4) que determina la polarización del haz de muestra (7.1) y/o del haz de muestra reflejado y/o retroesparcido (7. Ir).
El brazo de referencia (3.3) se divide en dos bloques: el primer bloque de referencia (3.3.1) y el segundo bloque de referencia (3.3.2). El haz de referencia (7.2) viaja en primer lugar por el primer bloque de referencia (3.3.1), incidiendo en un primer retrorreflector (3.3.1.1) que lo refleja y/o retroesparce (7.2r) recorriendo el camino inverso al de incidencia. El primer retrorreflector (3.3.1.1), así como otro u otros retrorreflectores que puedan formar parte del sistema (1), en el dominio temporal es/son móvil/es y en el dominio espectral (basados en espectrómetro y en fuentes de barrido) es/son fijo/s. Además, el sistema (1) según cualquiera de los ejemplos de realización de la invención acepta cualquier elemento que pueda funcionar como retrorreflector; por ejemplo: espejos, prismas retroreflectores por reflexión total interna, prismas retroreflectores especulares, cubos reflectores, espejos de Faraday, recubrimientos reflectantes metálicos, dieléctricos o nanoestructurados, etcétera.
Por otro lado, el primer bloque de referencia (3.3.1) también comprende un elemento de control de polarización (3.4) que determina la polarización del haz de referencia (7.2) y/o del haz de referencia reflejado y/o retroesparcido (7.2r).
Los haces reflejados y/o retroesparcidos (7. Ir, 7.2r) son combinados mediante algún dispositivo o elemento óptico. De manera preferida, el elemento óptico que los combina es el propio elemento divisor de haz (3.1).
El haz combinado (7.3) viaja hacia el segundo bloque de referencia (3.3.2), cuya función es la igualación de los caminos ópticos recorridos de los haces de muestra y de referencia. Así, un segundo elemento divisor de haz (3.5) divide el haz combinado (7.3) en un primer haz de muestra-detector (7.3.1), que viaja en dirección al detector con diversidad de polarización (4), y un segundo haz de referencia-detector (7.3.2) que recorre un camino óptico auxiliar. Dicho camino óptico auxiliar ha de ser tal que, sumado al resto del camino óptico del haz de referencia reflejado (7.2r) hasta alcanzar al detector con diversidad de polarización (4), ¡guala el camino óptico del haz de muestra reflejado (7. Ir) hasta alcanzar al detector con diversidad de polarización (4).
Los haces de muestra-detector y de referencia-detector son combinados en un segundo haz combinado (7.4). De manera preferida, dichos haces se combinan mediante el propio elemento divisor de haz (3.5).
En un ejemplo de realización, el segundo bloque de referencia (3.2.2) también comprende un elemento de control de polarización (3.4), no mostrado en la figura 2, para determinar la polarización del haz combinado (7.3), y/o del haz de muestra-detector (7.3.1), y/o del haz de referencia-detector (7.3.2) y/o del segundo haz combinado (7.4).
En otros ejemplos de realización, los elementos de control de polarización (3.4) están comprendidos:
- exclusivamente en el brazo de muestra (3.2), o
- exclusivamente en el primer bloque de referencia (3.3.1), o
- exclusivamente en el segundo bloque de referencia (3.3.2), o
- según una combinación de al menos dos de las opciones anteriores.
El tipo de detector con diversidad de polarización (4) depende, al igual que la fuente óptica (2), del dominio en que esté diseñado el sistema (1) PS-OCT. Si el sistema (1) PS-OCT está implementado en el dominio temporal, el detector (4) es de tipo fotodiodo rápido, mientras que en el dominio espectral es de tipo espectrómetro y en el dominio de barrido es de tipo fotodiodo rápido, típicamente en configuraciones avanzadas especialmente robustas frente a ruido común; por ejemplo, detectores balanceados.
Gracias a la arquitectura mostrada en la Figura 2, el haz de referencia (7.2) y el haz de muestra (7.1) viajan a través de la misma fibra óptica por lo que sufren exactamente las mismas perturbaciones resultado un sistema robusto. Por lo tanto, su polarización relativa no se ve alterada. Como puede observarse en la figura 2, el primer bloque de referencia (3.3.1) se encuentra en un extremo del sistema (1) incluido en la unidad de medida (3) genérica. Sin embargo, el segundo bloque de referencia (3.3.2) se encuentra junto al detector (4), lo que permite ubicar el elemento más voluminoso en una posición alejada del conjunto formado por el brazo de muestra (3.2) y el primer bloque de referencia (3.3.1), manteniendo la robustez del sistema y la estabilidad de la medida de PS-OCT.
La figura 3 muestra un ejemplo de realización más particular. La descripción de la Figura 2 es extrapolable a esta figura por lo que se describen únicamente aquellos elementos y procesos que son distintos.
En la Figura 3, se muestran dos elementos ópticos en el brazo de muestra (3.2) destinados a dirigir el haz de muestra (7.1) sobre la muestra (M) de la cual se requiere realizar una medida.
Por un lado, se muestra una unidad de escaneado (3.2.1) que está adaptada para dirigir de forma controlada el haz de muestra (7.1) a posiciones determinadas de la muestra (M) y redirigir recíprocamente los fotones reflejados y/o retroesparcidos (7. Ir) por la misma. En el contexto de la invención, la unidad de escaneado (3.2.1) puede ser de múltiples tipos. Algunos ejemplos particulares son: un espejo galvanométrico de dos ejes, una fibra óptica escaneada mecánicamente, un escáner MEMS, un espejo poligonal rotatorio, un escáner holográfico, un escáner por efecto optoacústico, o una agrupación de fibras ópticas con escaneo en el extremo proximal fibra a fibra.
Por otro lado, se muestra un sistema de enfoque (3.2.2) configurado para enfocar el haz de muestra (7.1) sobre la muestra (M), pudiendo ser el sistema de enfoque (3.2.2) del tipo refractivo, reflectivo, difractivo o un array de lentes, entre otros.
En la Figura 3 se muestra adicionalmente un elemento de gestión de haces (5.1) que, de manera preferida, es un circulador óptico. De manera aún más preferida, el circulador óptico es mantenedor de la polarización. La función de dicho elemento de gestión de haces (5.1) es recibir el haz de luz (7) de la fuente óptica (2) y redirigirlo hacia la unidad de medida (3), y recibir el haz de luz combinado (7.3), proveniente de la unidad de medida (3), y redirigirlo hacia el segundo bloque de referencia (3.3.2).
Finalmente, en la Figura 3 se muestra en detalle una realización preferida de camino óptico auxiliar. En este caso, el segundo bloque de referencia (3.3.2) comprende un segundo retrorreflector (3.3.2.1) sobre el que incide el haz de referencia-detector (7.3.2). Así, el camino óptico auxiliar está definido por el camino de ida-vuelta realizado por el haz de referencia- detector (7.3.2) desde su separación en un elemento divisor de haz (3.5) hasta su combinación con el haz de muestra-detector (7.3.1) en un segundo haz combinado (7.4).
En la Figura 4 se muestra una realización más particular de la invención. La descripción de los elementos comunes de las Figuras 2 y 3 son aplicables para esta figura.
En esta figura, el sistema (1) comprende un segundo elemento de gestión de haces (5.2) que, de manera preferida, es un circulador óptico. De manera aún más preferida, es un circulador óptico mantenedor de la polarización.
En esta figura, el segundo circulador (5.2) recibe el haz combinado (7.3) procedente del primer elemento de gestión de haces (5.1), ya sea un circulador u otro elemento óptico como un acoplador, y lo redirige hacia el segundo bloque de referencia (3.3.2). Por otro lado, recibe un segundo haz de luz combinado (7.4) proveniente del segundo bloque de referencia (3.3.2) y lo redirige hacia el detector con diversidad de polarización (4).
El segundo bloque de referencia (3.3.2), por su parte, comprende un tercer retrorreflector (3.3.2.2) sobre el cual incide y se refleja y/o retroesparce el haz de muestra- detector (7.3.1) antes de ser dirigido hacia el detector (4). Así, el haz de muestra-detector (7.3.1) recorre adicionalmente un segundo camino óptico auxiliar. La posición de los retrorreflectores ha de ser tal que la suma de los caminos ópticos auxiliares y el resto de tramos de fibra atravesados por los haces de muestra y detector sean ¡guales.
Los haces reflejados y/o retroesparcidos por los retrorreflectores (3.3. .1, 3.3.2.2) son posteriormente combinados en un segundo haz combinado (7.4), preferiblemente por el propio elemento divisor de haces (3.5). Dicho segundo haz combinado (7.4) es recibido por el circulador (5.2) para ser redirigido hacia el detector con diversidad de polarización (4).
Finalmente, en la figura 4 se muestran dos colimadores (6). Estos elementos son necesarios, al menos, cuando parte o todas las conexiones ópticas entre los elementos del sistema (1) se establecen mediante fibra óptica y en espacio libre al mismo tiempo. Así, el colimador (6) se coloca al final de la fibra óptica para producir desde la fibra un haz colimado en espacio libre y/o para inyectar en la fibra el o los haces provenientes del espacio libre. En otras realizaciones, las comunicaciones ópticas se establecen mediante fibras ópticas monomodo estándar, fibra ópticas mantenedoras de la polarización, guías de onda, mediante espacio libre o mediante una combinación de al menos dos de las anteriores.
La Figura 5 muestra una realización más particular de la invención. La descripción de elementos comunes en las Figuras 2, 3 y 4 es válida para esta figura.
En esta realización, el sistema (1) PS-OCT está implementado en dominio espectral. La fuente óptica (2) es un diodo superluminiscente que proporciona un haz (7) linealmente polarizado y tiene una fibra mantenedora de polarización (PM, "polarization maintaining”) a la salida.
Dicha fibra mantenedora de la polarización es el primer brazo de un circulador (5.1) mantenedor de polarización que dirige el haz (7) por el camino de iluminación hasta el extremo distal, en el que un colimador (6) en el final de la fibra produce un haz colimado en espacio abierto. Dicho haz incide sobre un divisor de haz (3.1) insensible a la polarización, de modo que una parte se transmite y otra se refleja. La relación de potencia transmisión-reflexión es configurable, siendo de manera preferida de 50%-50%.
El elemento de control de polarización (3.4) del brazo de muestra (3.2) de esta realización es, de manera preferida, una lámina de retardo de cuarto de onda configurada de tal modo que el haz de muestra (7.1) a su salida está circularmente polarizado. El motivo de fijar esta polarización es que cuando el haz de muestra (7.1) que incide sobre la muestra (M) está circularmente polarizado, las ecuaciones para calcular la retardancia lineal y la orientación del eje óptico se simplifican considerablemente, y además se maximiza la modificación polarimétrica introducida por la muestra (M) sobre el estado de polarización incidente facilitando la medida.
La unidad de escaneado (3.2.1) de esta realización, de manera preferida, es un espejo galvanométrico de dos ejes. El haz de muestra (7.1) es desviado angularmente por el espejo galvanométrico para enfocarse sobre la muestra (M) mediante un sistema de enfoque (3.2.2) que, a su vez, es el elemento de captación de la luz reflejada y/o retroesparcida por la muestra (M) que viaja en sentido contrario a través del camino de medida.
El elemento de control de polarización (3.4) del primer bloque de referencia (3.3.1) también es una lámina de retardo de cuarto de onda, pero en este caso está configurada para que cuando el haz de referencia reflejado y/o retroesparcido (7.2r) la atraviese tenga una polarización a la salida lineal y orientada a 45 grados con respecto al eje de la fibra mantenedora de polarización.
Los haces de muestra y referencia reflejados y/o retroesparcidos (7. Ir, 7.2r) se acoplan a fibra a través del colimador (6) y son redirigidos por un primer circulador (5.1) hacia un segundo circulador (5.2), ambos mantenedores de polarización. A la salida del segundo circulador (5.2), el haz combinado (7.3) se colima a espacio libre y entra en el segundo bloque de referencia (3.3.2). Al hacerlo se divide por un divisor de haz (3.5), preferiblemente de tipo cubo separador, en un primer haz de muestra-detector (7.3.1) y un segundo haz de referencia-detector (7.3.2).
El primer haz de muestra-detector (7.3.1) se refleja por un tercer retrorreflector (3.3.2.2), preferentemente un espejo, situado a corta distancia del elemento divisor de haz (3.5). El camino de ¡da y vuelta recorrido por este haz (7.3.1) es el segundo camino óptico auxiliar. Por su parte, el segundo haz de referencia-detector (7.3.2) dividido se refleja por un segundo retrorreflector (3.3.2.1), preferiblemente un espejo, situado a una distancia mayor que la del tercer retrorreflector (3.3.2.2) respecto del elemento divisor de haz (3.5). El camino de ¡da y vuelta recorrido por este haz (7.3.2) es el camino óptico auxiliar.
Concretamente, el objetivo de introducir esta asimetría en los caminos ópticos auxiliares de una y otro componente es conseguir que, al recombinar ambas componentes (7.4) exista una fracción del haz de referencia que haya recorrido exactamente la misma longitud de camino óptico que una fracción del haz de muestra, lo que constituye la condición esencial para poder realizar la medida interferométrica en PS-OCT. En esta realización, el segundo bloque de referencia (3.3.2) comprende adicionalmente al menos un elemento de ajuste de potencia (3.3. .3), preferentemente un iris, configurado para ajustar el nivel de potencia del haz de referencia-detector (7.3.2) que pasa a través de él. El iris permite ajustar el nivel de potencia de la señal de referencia para evitar saturar el detector (4) y poder fijar el nivel de señal de referencia en los sub-detectores a un valor óptimo. De forma relevante, el hecho de que se utilice un cubo insensible a la polarización, de que se utilicen espejos reflectores, y de que este tramo transcurra en espacio abierto, aseguran que no se introduce ninguna modificación asimétrica en la polarización relativa entre ambos haces, lo que garantiza la estabilidad de su interferencia y por lo tanto la robustez de la medida polarimétrica.
En otros ejemplos, pueden existir otros elementos de ajuste de potencia (3.3.2.3) en los brazos de referencia (3.3) y muestra (3.2) alternativos o adicionales al anteriormente mencionado para ajustar la potencia de los diferentes haces que los atraviesan.
Finalmente, el segundo haz combinado (7.4) es dirigido por el segundo circulador (5.2) mantenedor de polarización hacia el detector con diversidad de polarización (4), donde entra colimado en espacio libre gracias a un colimador (6).
La Figura 5, adicionalmente muestra un esquema más detallado del detector con diversidad de polarización (4) que actúa en el dominio espectral. Como ya se ha comentado, que el detector tenga diversidad de polarización ha de entenderse como que dicho detector (4) es sensible a la polarización y analiza la intensidad correspondiente a estados de polarización concretos.
La sensibilidad a la polarización se puede conseguir mediante un elemento separador de polarizaciones (4.1), como por ejemplo el cubo separador de haces de la Figura 5, que proyecta la componente polarizada del haz según un estado de polarización hacia una dirección y la componente polarizada del haz según el estado de polarización ortogonal al primero hacia otra dirección. El detector (4), en esta realización, utiliza dos sub-detectores (4.2, 4.3) tipo espectrómetro que miden simultáneamente los dos estados de polarización analizados del segundo haz de luz combinado (7.4).
En un ejemplo particular, el espectrómetro está compuesto al menos por una red de difracción, un sistema de enfoque, y una cámara de línea. La red de difracción separa espacialmente las diferentes longitudes de onda del haz, que son enfocadas en píxeles de la cámara para los que se conoce la correspondencia entre el número de pixel y la longitud de onda. El espectrómetro está diseñado para medir adecuadamente las componentes espectrales del haz teniendo en cuenta las características de la fuente óptica (2) empleada en el sistema (1).
En otras realizaciones del sistema (1), el detector (4) actúa mediante otros métodos que multiplexan la medida: en el dominio temporal realizando medidas consecutivas con un único detector (4); en el dominio espectral realizando medidas simultáneas en diferentes partes del detector (4) empleando una unidad de retraso de polarización o midiendo en diferentes regiones del espectro; o en el dominio frecuencial realizando medidas moduladas a diferentes frecuencias. Obviamente, estos detectores (4) que actúan en diferentes dominios formarán parte de un sistema (1) diseñado en dicho dominio.
La Figura 6 muestra una alternativa a la unidad de medida (3) mostrada en las anteriores figuras. La descripción de las figuras 2-5 referente a los elementos que esta figura 6 tiene en común es igualmente válida.
En este caso, el brazo de muestra (3.2) y el primer bloque del brazo de referencia (3.3.1) son coincidentes gracias a un elemento común: un reflector parcial que actúa a la vez como divisor de haz (3.1) y primer retrorreflector (3.3.1.1).
El reflector parcial, cuando el haz (7) procedente de la fuente óptica (2) incide sobre él, divide dicho haz en dos de forma que parte del haz es transmitido hacia la muestra (M) - haz de muestra (7.1) -y otra parte del haz (7) es reflejada hacia atrás - haz de referencia retrorreflejado y/o retroesparcido (7.2r). Ambos haces, por tanto, son coaxiales.
En un ejemplo preferido, la unidad de escaneado (3.2.1) es una fibra mantenedora de polarización escaneada. El escaneo de la fibra se consigue fijando la fibra a un tubo piezoeléctrico al que se aplican señales de radiofrecuencia, con el objetivo de producir una resonancia mecánica controlada en amplitud y fase en ambos ejes. Gracias a esta operación se puede conseguir un patrón espacial determinado en función del tiempo, escaneando por ejemplo siguiendo una espiral en función del tiempo. Las ventajas de este modo de escaneo radican en su idoneidad para la miniaturización de la unidad de medida (3) y en la amplitud de campo de visión que se puede conseguir, lo que la convierte en una opción de diseño muy interesante para la realización de dispositivos mínimamente invasivos.
En un ejemplo preferido, el reflector parcial es un reflector situado en el extremo distal de la fibra escaneada. Este elemento puede ser preferentemente un recubrimiento parcialmente reflector aplicado directamente sobre la fibra. De esta forma, el sistema (1) asegura nuevamente que el haz de referencia (7.2) y de muestra (7.1) atraviesan exactamente los mismos tramos de fibra óptica y por lo tanto experimentan fluctuaciones idénticas.
Además, cabe mencionar que es conveniente que el reflector esté situado en la punta de la fibra ya que, al escanearla, dicha fibra se deforma y el hecho de que sea la propia superficie de la cara final de la fibra la que refleje el haz asegura un porcentaje de potencia de referencia homogéneo independientemente del ángulo y posición de escaneo.
Finalmente, destacar que en este ejemplo de realización solo hay un elemento de control de polarización (3.4) que está ubicado en el segundo bloque de referencia (3.3.2). En este caso se ha optado por no incluir ningún elemento de control de polarización (3.4) del haz de muestra (7.1) por lo que dicho haz está polarizado según el estado mantenido por las fibras utilizadas.
En un ejemplo preferido, las fibras utilizadas son fibras PM tipo PANDA siendo el estado de polarización del haz de muestra (7.1) lineal. Al evitar utilizar elementos de control de polarización (3.4) en la unidad de medida, se reduce la complejidad de su diseño y se permite una mayor ligereza y estabilidad de dicha unidad, favoreciendo aún más el uso del sistema en procedimientos mínimamente invasivos.
En un ejemplo preferido, las fibras utilizadas son fibras PM diseñadas para mantener estados de polarización circularmente polarizados, como por ejemplo fibras PM de tipo bow-tie. Al igual que en el ejemplo anterior, este ejemplo permite una mayor ligereza y estabilidad de la unidad de medida, favoreciendo el uso del sistema en procedimientos mínimamente invasivos.

Claims

- 34 - REIVINDICACIONES
1.- Sistema (1) de medida de tomografía de coherencia óptica sensible a la polarización, PS-OCT, que comprende:
- una fuente óptica (2) que emite un haz de luz (7) coherente o parcialmente coherente;
- una unidad de medida (3) adaptada para recibir el haz de luz (7) emitido por la fuente óptica (2) y que comprende: o un primer elemento divisor de haz (3.1) adaptado para dividir el haz de luz (7) en dos, un haz de muestra (7.1) y un haz de referencia (7.2); o un brazo de muestra (3.2) adaptado para recibir el haz de muestra (7.1), enfocar dicho haz de muestra (7.1) sobre una muestra (M) que en modo operativo refleje y/o retroesparza el haz de muestra (7.1); y, devolver un haz de muestra reflejado (7. Ir) con los fotones reflejados y/o retroesparcidos por la muestra (M); o un brazo de referencia (3.3) que comprende un primer bloque de referencia (3.3.1) y donde el primer bloque de referencia (3.3.1) comprende un primer retrorreflector (3.3.1.1), dicho primer bloque de referencia (3.3.1) adaptado para recibir el haz de referencia (7.2) y hacerlo incidir en el primer retrorreflector (3.3.1.1), y devolver un haz de referencia reflejado (7.2r) en modo operativo mediante el primer retrorreflector (3.3.1.1); o al menos un elemento de control de polarización (3.4), comprendido en el brazo de muestra (3.2) y/o en el brazo de referencia (3.3), configurado para establecer la polarización del haz que pasa a través suyo; y
- un detector con diversidad de polarización (4); donde la unidad de medida (3) está adaptada para proveer del haz de muestra reflejado (7. Ir) y del haz de referencia reflejado (7.2r) combinados en un mismo haz de luz (7.3) y, en donde la fuente óptica (2), la unidad de medida (3) y el detector con diversidad de polarización (4) están conectados ópticamente entre sí a través de conexiones ópticas y en donde el sistema (1) PS-OCT está caracterizado por que el brazo de referencia (3.3) comprende adicionalmente un segundo bloque de referencia (3.3.2), comprendiendo el segundo bloque de referencia (3.3.2) un segundo - 35 - elemento divisor de haz (3.5) adaptado para recibir el haz de luz combinado (7.3) proveniente de la unidad de medida (3), dividiendo dicho haz de luz combinado (7.3) en un primer haz de muestra-detector (7.3.1) y un segundo haz de referencia-detector (7.3.2), este segundo haz de referencia-detector (7.3.2) enviado a un camino óptico auxiliar; donde el segundo bloque de referencia (3.3.2) está adaptado para proveer al detector con diversidad de polarización (4) un segundo haz de luz (7.4) combinando el primer haz de muestra-detector (7.3.1) y el segundo haz de referencia-detector (7.3.2) tras recorrer el camino óptico auxiliar; y donde, en modo operativo, el camino óptico recorrido por la componente del haz de referencia reflejado (7.2r) del haz combinado (7.3) y enviado al camino óptico auxiliar, sumado al resto del camino óptico del haz de referencia reflejado (7.2r) hasta alcanzar al detector con diversidad de polarización (4) es tal que ¡guala el camino óptico del haz de muestra reflejado (7. Ir) hasta alcanzar al detector con diversidad de polarización (4).
2.- Sistema (1) según la reivindicación 1, en donde el segundo bloque de referencia (3.3.2) adicionalmente comprende un segundo retrorreflector (3.3.2.1) sobre el que incide el segundo haz de referencia-detector (7.3.2) al recorrer el camino óptico auxiliar.
3.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer haz de muestra-detector (7.3.1) recorre un segundo camino óptico auxiliar antes de ser provisto al detector con diversidad de polarización (4) en combinación (7.4) con el segundo haz de referencia-detector (7.3.2).
4.- Sistema (1) según la reivindicación anterior, en donde el segundo bloque de referencia (3.3.2) adicionalmente comprende un tercer retrorreflector (3.3.2.2) sobre el que incide el primer haz de muestra-detector (7.3.1) al recorrer el segundo camino óptico auxiliar.
5.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los elementos divisores de luz (3.1, 3.5) están adaptados para que la potencia total del haz de luz dividido se separe en porcentajes preestablecidos.
6.- Sistema (1) según la cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el brazo de muestra (3.2) adicionalmente comprende una unidad de escaneado (3.2.1) adaptada para dirigir de forma controlada el haz de muestra a posiciones determinadas de la muestra y para redirigir recíprocamente los fotones reflejados y/o retroesparcidos que viajan en dirección contraria (7. Ir).
7.- Sistema (1) según la reivindicación anterior, en donde la unidad de escaneado (3.2.1) comprende:
- un espejo galvanométrico de dos ejes, o
- una fibra óptica con escaneado mecánico, o
- un escáner MEMS, o
- un espejo poligonal rotatorio, o
- un escáner holográfico, o
- un escáner por efecto optoacústico, o
- una agrupación de fibras ópticas con escaneo en el extremo proximal fibra a fibra.
8.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el tipo de polarización establecida por el al menos un elemento de control de polarización (3.4) es de tipo lineal con una orientación predeterminada o de tipo circular, estando dicho al menos un elemento de control de polarización (3.4) basado en:
- elementos polarimétricos convencionales, preferentemente polarizadores o láminas de retardo; o
- birrefringencia inducida por estrés en fibra; o
- cristales líquidos; o
- moduladores fotoelásticos; o
- células de Pockels; o
- elementos microestructurados o nanoestructurados, preferentemente polarizadores de red; o
- elementos holográficos, o
- una combinación de cualquiera de los anteriores.
9- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el segundo bloque de referencia (3.3.2) comprende adicionalmente al menos un elemento de ajuste de potencia (3.3.2.3), preferentemente un iris, configurado para ajustar el nivel de potencia de al menos uno de los haces de luz que pasan por el segundo bloque de referencia (3.3.2).
10.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer elemento divisor de haz (3.1) es un reflector parcial adaptado para dejar pasar un porcentaje determinado del haz de luz (7) - el haz de muestra (7.1) - hacia el brazo de muestra (3.2); y reflejar el resto del haz de luz (7) - el haz de referencia reflejado (7.2r).
11.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el brazo de muestra (3.2) adicionalmente comprende un sistema de enfoque (3.2.2) configurado para enfocar el haz de muestra (7.1) sobre la muestra (M), siendo el sistema de enfoque (3.2.2) del tipo:
- refractivo, o
- reflectivo, o
- difractivo, o
- array de lentes.
12.- Sistema (1) según la cualquiera de las reivindicaciones anteriores que adicionalmente comprende un primer elemento de gestión de haces (5.1), preferiblemente un circulador óptico, adaptado para recibir el haz de luz (7) de la fuente óptica (2) y redirigirlo hacia la unidad de medida (3), y recibir el haz de luz combinado (7.3) proveniente de la unidad de medida (3) y redirigirlo hacia el segundo bloque de referencia (3.3.2).
13.- Sistema (1) según la reivindicación 4 y cualquiera de las reivindicaciones 5 a 12 que adicionalmente comprende un segundo elemento de gestión de haces (5.2), preferiblemente un circulador óptico, configurado para recibir el haz de luz combinado (7.3) proveniente del primer elemento de gestión de haces (5.1), si existe, o de la unidad de medida (3) y redirigirlo hacia el segundo bloque de referencia (3.3.2); y recibir el segundo haz de luz combinado (7.4) proveniente del segundo bloque de referencia (3.3.2) y redirigirlo hacia el detector con diversidad de polarización (4).
14.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las conexiones ópticas entre los elementos del sistema (1) se establecen:
- mediante fibras ópticas monomodo estándar, o
- mediante fibras ópticas mantenedoras de la polarización, o
- mediante guías de onda, o
- en espacio libre; o
- mediante una combinación de cualesquiera de las anteriores.
15.- Sistema (1) según la reivindicación anterior, en donde el paso de fibra óptica a espacio libre se establece a través de un colimador (6), en caso de que existan ambos tipos de conexiones - 38 - ópticas en el sistema (1).
16.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el/los retrorreflectores (3.3.1.1, 3.3.2.1, 3.3. . ) son móviles o fijos y en donde dichos retrorreflectores (3.3.1.1, 3.3.2.1, 3.3.2.2) son de alguno de los siguientes tipos:
- espejo, o
- prisma retroreflector por reflexión total interna, o
- prisma retroreflector especular, o
- cubo reflector, o
- espejo de Faraday, o
- recubrimiento total o parcialmente reflectante metálico, o
- recubrimiento total o parcialmente reflectante dieléctrico, o
- recubrimiento total o parcialmente reflectante nanoestructurado, o
- recubrimiento total o parcialmente reflectante aplicado sobre la faceta de entrada o salida de una fibra óptica,
- una combinación de cualquiera de los anteriores.
17.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el dominio del sistema (1) es uno de los siguientes:
- dominio temporal, o
- dominio espectral o dominio de Fourier, o
- dominio espectral basado en espectrómetro, o
- dominio espectral basado en fuente de barrido.
18.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fuente óptica (2) es de tipo:
- parcialmente coherente, preferiblemente un diodo superluminiscente; o
- de barrido en longitud de onda.
19.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fuente óptica (2) comprende adicionalmente un elemento aislante adaptado para eliminar haces de luz residuales que viajen hacia dicha fuente óptica (2).
20.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el detector con diversidad de polarización (4) comprende:
- uno o varios fotodiodos rápidos; o - 39 -
- uno o varios detectores balanceados o autobalanceados basados en fotodiodos rápidos; o
- uno o varios espectrómetros.
21.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el detector con diversidad de polarización (4) comprende un elemento separador de polarizaciones (4.1) adaptado para proyectar el segundo haz de luz combinado (7.4) que recibe en diferentes direcciones en función del estado de polarización de sus componentes.
22.- Sistema (1) según la reivindicación anterior, en donde el detector con diversidad de polarización (4) comprende al menos dos sub-detectores (4.2, 4.3) adaptados para medir simultáneamente las componentes de polarización del haz de luz combinado (7.4).
23.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el detector con diversidad de polarización (4) está adaptado para medir las componentes de polarización del haz de luz combinado (7.4) multiplexando las medidas.
24.- Sistema (1) según la reivindicación 23, en donde la multiplexación se realiza:
- en el dominio temporal mediante al menos dos medidas consecutivas; o
- en el dominio espectral mediante al menos dos medidas simultáneas en diferentes partes del detector; o
- en el dominio espectral mediante al menos dos medidas en diferentes regiones del espectro; o
- en el dominio frecuencial mediante medidas moduladas a diferentes frecuencias.
25.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema es de tipo Multiple Input Polarization States.
26.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad de medida (3) es una herramienta manual.
27.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones 7-26, en donde la unidad de escaneado (3.2.1) comprende una fibra óptica con escaneado mecánico, en donde el escaneado mecánico se realiza por medio de un actuador piezoeléctrico. - 40 -
28.- Uso del sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en un procedimiento de cirugía mínimamente invasiva robotizada.
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