Imaging risolto nel tempo di mezzi altamente diffondenti con tecniche di luce strutturata e single pixel camera

From an optical point of view, biological tissues are highly scattering media, and absorption and scattering are the main phenomena that rule the light propagation inside them, depending on the wavelength and the tissue composition: the first describes the attenuation of transmitted light through the tissue, due to macroscopic constituents like water, lipids, blood; the second determines the path changes due to collision events of light with cellular organelles, like mitochondria and lysosomes, and proteins, like collagen fibrils, inside the tissue. If visible and near-infrared light does not exceed the power density thresholds, it is non-invasive and it can be injected into biological samples, allowing to reveal inhomogeneities inside them by measuring the optical parameters, more precisely the absorption and scattering coefficients: these inhomogeneities can, for example, be representative of lesions or cerebral activation, therefore the knowledge of the optical properties is essential in both diagnostic and therapeutic applications in medicine. Generally, in diffuse optics, the sample is illuminated by a point source and the reemitted light is collected by an optical fiber, which raster scans the area of interest. Alternatively, a wide-field method can be used for projection and collection of light, which allows to work with high light power injected in the tissue to improve measurement quality, without overcoming safety limits based on power density. Usually, acquisition is carried out by means of a parallel detector, for example a CCD or CMOS sensor. Recently, a new detection technique has been suggested, which includes a lens system to project the sample image on a spatial modulator and focus the output light from the modulator within a single element detector: this optical detector is called a single pixel camera. Furthermore, if a single photon counting detection technique is used, it is possible to resolve in time the optical signal detected. Thanks to the wide field light collection in a point detector, a single pixel camera is suitable for compressive sensing techniques: this expression generally refers to an acquisition strategy that allows to compress the dataset before it has been processed, and results in a higher measuring speed. This approach also allows savings in terms of computing power and resources which are necessary for data acquisition, without loss of information. A wide field illumination allows to experiment different types of spatial light modulation in order to obtain a larger quantity of information regarding the measurement that is performed, for this reason we refer to it as structured light. Several research groups have studied structured light methods for the imaging of biological tissue portions to reveal inhomogeneities or morphological changes and characterize optical properties. The main objective of this thesis work is to discriminate a perturbation of the optical parameters within a highly scattering medium by using structured light techniques in a reflectance geometry. The samples used are model systems that simulate the optical properties of a biological tissue in reference to photon propagation, with the possibility of inserting a mainly absorbing inclusion at a specifically selected depth from the illuminated surface. In order to carry out the imaging of the samples, a source was modulated at different spatial frequencies according to the Fourier theory, and a spatial phase shifting technique, known by the literature, was used for the demodulation of images. Spatial frequencies have different capacity to penetrate within a scattering medium since it acts as a low-pass filter, removing the high spatial frequency components of the incoming light distribution. Thus, the response of a scattering medium in the domain of spatial frequencies encodes information on both depth and optical parameters: by varying the spatial frequency of illumination it was possible to evaluate the depth of the tissue at which the revelation appears to be sensitive, and the analysis of the dependence of the reemitted light allowed to reconstruct the spatial distribution of the medium optical properties. During this work, a new imaging technique has been created which combines the spatial information, provided by the spatial phase shifting technique, with the temporal one, thanks to the use of the single pixel camera to collect light from the sample. The type of spatial modulation chosen for the compressive sensing technique is based on the Walsh-Hadamard matrices, meaning binary matrices which possess a fill factor of 50%, well suited for a wide field detection technique. By using this technique, it has been observed that the integration of the time-resolved signal in a specific time interval guarantees a greater contrast in the detection of inclusion within the sample. As a matter of fact, in a reflectance configuration, greater the depth of the absorbing inclusion, the longer the photons stay within the medium, and a properly delayed temporal integration allowed to extract the information carried from such photons. Diffuse optical techniques can be used for both macroscopic and endoscopic applications. The development of an endoscopic probe for the application of structured light techniques to internal tissues would allow the detection of inhomogeneity by reconstructing the optical parameters. For this reason, a system based on a coherent fiber bundle, which uses structured light with a single pixel camera, was entirely designed and constructed during the thesis work. Unlike common endoscopes that require two separate channels, one to cast light and the other to collect light, this system uses only one channel, with the resulting advantages in terms of final dimensions of the device, which is therefore less invasive in its use. The new system allowed to evaluate the applicability of structured light techniques through a bundle of coherent optical fibers, and succeeded in reconstructing the image of the illuminated sample correctly. The future aim of this project is to reconstruct an image of a highly scattering medium by collecting back-scattered light using the structured light technique that allows to combine spatial and temporal information, in order to quantify the optical properties considered at different depths from the illuminated surface of the analyzed tissue.

Da un punto di vista ottico, i tessuti biologici sono dei mezzi altamente diffondenti, ed i fenomeni principali che governano la propagazione della luce al loro interno sono l’assorbimento e la diffusione, che dipendono dalla lunghezza d’onda e dalla composizione del tessuto stesso: il primo descrive l’attenuazione che subisce la luce durante l’attraversamento del tessuto, dovuta ai costituenti macroscopici quali l’acqua, i lipidi, il sangue; il secondo determina il cambio di traiettoria dovuto ad eventi di collisione della luce con organelli cellulari, come i mitocondri e i lisosomi, e proteine, quali le fibrille di collagene, presenti all’interno del tessuto. La luce nel visibile e nel vicino infrarosso, a condizione che non superi delle soglie di densità di potenza, risulta non invasiva e può essere iniettata in campioni biologici, consentendo di rivelare inomogeneità al loro interno tramite la misurazione dei parametri ottici, ossia i coefficienti di assorbimento e di diffusione; tali inomogeneità, ad esempio, possono essere rappresentative di lesioni o attivazioni cerebrali ad esempio, pertanto la conoscenza delle proprietà ottiche risulta essenziale per applicazioni diagnostiche e terapeutiche in medicina. Generalmente, nell’ottica diffusa, il campione viene illuminato con una sorgente puntuale e la luce riemessa viene raccolta per mezzo di una fibra ottica, operando una scansione per punti dell’area di interesse. In alternativa, possono essere utilizzate tecniche di proiezione e raccolta della luce in aree estese (wide field), che permettono di sfruttare una minore densità di potenza della luce iniettata nel tessuto per lavorare con potenze maggiori, al fine di migliore la qualità di una misura, rimanendo comunque al di sotto dei valori di soglia di densità di potenza oltre cui la luce risulta dannosa. Solitamente l’acquisizione viene svolta tramite un rivelatore parallelo, per esempio un sensore CCD o CMOS. Recentemente è stata proposta una nuova tecnica di rivelazione che prevede l’uso di un sistema di lenti per proiettare l’immagine del campione su un modulatore spaziale e focalizzare la luce in uscita dal modulatore all’interno di un rivelatore a singolo elemento: tale rivelatore ottico prende il nome di single pixel camera. Inoltre, se viene impiegata una tecnica di rivelazione a conteggio di singolo fotone è possibile risolvere nel tempo il segnale ottico rivelato. Grazie alla raccolta wide field della luce in un rivelatore puntiforme, una single pixel camera risulta adatta per tecniche di compressive sensing: con questo termine si indica generalmente una strategia di acquisizione che permette di comprimere il dataset prima che questo venga processato, con un conseguente incremento della velocità di misura. Questo approccio consente di ottenere un risparmio anche in termini di potenza computazionale e risorse necessarie per l’acquisizione dei dati, senza perdita di informazione. Un’area di illuminazione estesa consente di sperimentare diverse tipologie di modulazione spaziale della luce al fine di estrarre il maggior contenuto informativo della misura che si vuole eseguire, pertanto si parla di luce strutturata. Diversi gruppi di ricerca hanno studiato metodi di luce strutturata per realizzare immagini di porzioni di tessuti biologici al fine di rivelare inomogeneità o cambiamenti morfologici e caratterizzare le proprietà ottiche. Obiettivo principale di questo lavoro di tesi è la discriminazione di una perturbazione dei parametri ottici presente all’interno di un mezzo altamente diffondente attraverso tecniche di luce strutturata in una geometria di riflettanza. I campioni utilizzati sono dei sistemi modello che simulano le proprietà ottiche di un tessuto biologico per la propagazione dei fotoni, con la possibilità di inserirvi un’inclusione prevalentemente assorbente ad una profondità scelta dalla superficie illuminata. Per l’imaging dei campioni è stata utilizzata prevalentemente una sorgente modulata a diverse frequenze spaziali secondo la teoria di Fourier e una tecnica a variazione di fase spaziale, nota dalla letteratura, per la demodulazione delle immagini. Le frequenze spaziali hanno differenti capacità di penetrazione all’interno di un mezzo diffondente poichè si comporta come un filtro passa-basso, rimuovendo le componenti a frequenza spaziale elevata della distribuzione della luce in ingresso. Dunque, la risposta di un mezzo diffondente nel dominio delle frequenze spaziali codifica l’informazione sia sulla profondità che sui parametri ottici: variando la frequenza spaziale dell’illuminazione è stato possibile valutare la profondità del tessuto a cui la rivelazione risulta essere sensibile, e l’analisi della dipendenza della luce riemessa ha permesso di ricostruire la distribuzione spaziale delle proprietà ottiche del mezzo. Durante questo lavoro è stata realizzata una nuova tecnica di imaging che permette di combinare l’informazione spaziale, fornita dalla tecnica a variazione di fase spaziale, con quella temporale, grazie all’utilizzo della single pixel camera per la raccolta della luce riemessa dal campione. Il tipo di modulazione spaziale scelto per la tecnica di compressive sensing è basato sulle matrici di Walsh-Hadamard, matrici binarie che possiedono un fill factor del 50%, ben adatte ad una tecnica di rivelazione wide field. Tramite questa tecnica è stato osservato che l’integrazione del segnale risolto in tempo in un particolare intervallo temporale garantisce un maggiore contrasto nella rivelazione dell’inclusione all’interno del campione. Infatti, in una configurazione di riflettanza, maggiore è la profondità dell’inclusione assorbente, maggiore è il tempo di permanenza dei fotoni nel mezzo, e un’integrazione temporale adeguatamente ritardata ha permesso di estrarre l’informazione portata da tali fotoni. Le tecniche di ottica diffusa possono essere impiegate per applicazioni sia macroscopiche che endoscopiche. Lo sviluppo di una sonda endoscopica per l’applicazione di tecniche di luce strutturata a tessuti interni consentirebbe la rivelazione di inomogeneità, tramite la ricostruzione dei parametri ottici. Per questo motivo, durante il lavoro di tesi è stato anche progettato e realizzato interamente un sistema basato su un bundle di fibre coerenti che prevede l’uso di luce strutturata con una single pixel camera. A differenza dei comuni endoscopi che necessitano di due canali distinti per la proiezione e la raccolta della luce, questo prevede l’uso di un solo canale, con i vantaggi che ne conseguono in termini di dimensioni finali del dispositivo e quindi di minore invasività del suo impiego. Il nuovo sistema realizzato ha permesso di valutare l’applicabilità delle tecniche di luce strutturata attraverso un bundle di fibre ottiche coerenti, riuscendo a ricostruire correttamente l’immagine del campione illuminato. L’obiettivo futuro di questo progetto è quello di ricostruire un’immagine di un mezzo altamente diffondente raccogliendo luce retrodiffusa per mezzo della tecnica di luce strutturata che permette di combinare l’informazione spaziale con quella temporale, al fine di poter quantificare le proprietà ottiche a diverse profondità dalla superficie illuminata del tessuto analizzato.