[論文レビュー] Shot-noise limited, supercontinuum based optical coherence tomography

Shreesha Rao D. S., Mikkel Jensen+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2020

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 30被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、低ノイズでフェムト秒パルス駆動のすべて正分散（ANDi）ファイバー光源を用いて、初のショットノイズ制限を超えないスーパコンtinウム（SC）ベースのスペクトルドメイン光学コherenceトモグラフィー（SD-OCT）を実証した。パルス間相対強度ノイズ（RIN）を1.1%未満に低減することで、システムは5.9 µmの軸方向分解能を達成し、商業用スーパコンティニュウム光源と比較して感度、コントラスト、透過深さが顕著に向上した。

ABSTRACT

We present the first demonstration of shot-noise limited supercontinuum-based spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT) with axial resolution of 5.9 $μ$m at a center wavelength of 1370 nm. Current supercontinuum-based SD-OCT systems cannot be operated in the shot-noise limited detection regime because of severe pulse-to-pulse relative intensity noise of the supercontinuum source. To overcome this disadvantage we have developed a low-noise supercontinuum source based on an all-normal dispersion (ANDi) fiber, pumped by a femtosecond laser. The noise performance of our 90 MHz ANDi supercontinuum source is compared to that of two commercial sources operating at 80 and 320 MHz repetition rate. We show that the low noise of the ANDi supercontinuum source improves the OCT images significantly in terms of both higher contrast, better sensitivity, and improved penetration. From SD-OCT imaging of skin, retina, and multi-layer stacks we conclude that supercontinuum-based SD-OCT can enter the domain of shot-noise limited detection.

研究の動機と目的

• SD-OCTシステムがショットノイズ制限に達するのを妨げる、従来のスーパコンティニュウム（SC）光源における高い強度ノイズの根本的制限を克服すること。
• フェムト秒レーザーで駆動されるすべて正分散（ANDi）ファイバーを用いた低ノイズのスーパコンティニュウム光源の開発および特性評価。
• パルス間相対強度ノイズ（RIN）を最小限に抑えることで、SCベースのSD-OCTにおけるショットノイズ制限検出が達成可能であることを実証すること。
• RIN、感度、画像品質の観点から、ANDiベースのSC光源と商業用80 MHzおよび320 MHz SC光源の性能を比較すること。
• 皮膚、網膜、マルチレイヤー・フォントムを含む生物学的サンプルの高分解能イメージングを通じて、システムの性能を検証すること。

提案手法

• 90 MHz繰返し周波数のフェムト秒パルスレーザーを用いて、すべて正分散（ANDi）ファイバーを駆動し、低ノイズのスーパコンティニュウムを生成した。
• ANDiベースの光源および2種類の商業SC光源（80 MHzおよび320 MHz）のパルス間相対強度ノイズ（RIN）を、それぞれ45,135、249,078、997,288パルスを用いて測定した。
• RINを RIN = σ/μ として計算した。ここでσはパルスエネルギーピークの標準偏差、μは平均値である。
• 光学パス差（OPD）をスキャンし、Aスキャンピークの半値全幅（FWHM）を解析することで、軸方向分解能を測定した。
• SNR = 1となる最小検出可能な反射率としてシステム感度を定義した。これには、検出器の飽和、スペクトロメータの積分時間、ノイズ寄与を考慮した。
• 画像品質およびダイナミックレンジの向上のため、後処理でシャドー補正とハミング窓処理を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべて正分散（ANDi）ファイバーを用いたスーパコンティニュウム光源は、SD-OCTにおけるショットノイズ制限検出を可能にするほど、パルス間相対強度ノイズ（RIN）を十分に低減できるか？
• RQ2 ANDiベースのSC光源のRINは、1.25–1.5 µm波長範囲において、商業用80 MHzおよび320 MHz SC光源と比較してどの程度か？
• RQ3 ANDi光源の低RINは、従来のSC光源と比較して、OCT画像のコントラスト、感度、透過深さをどの程度向上させるか？
• RQ4 中心波長1370 nmで、ANDiベースのSC光源は6 µm未満の軸方向分解能を維持しながら低ノイズを確保できるか？
• RQ5 RIN補正を施した拡張FDOCTモデルを用いて、SD-OCTシステムの理論的感度を正確に予測できるか？

主な発見

• ANDiベースのスーパコンティニュウム光源は、1.25–1.5 µm範囲でパルス間相対強度ノイズ（RIN）が1.1%未満に達し、商業用光源と比較して10倍以上も低減した。
• 320 MHzの商業SC光源は1.5 µmでRINが66%を示したが、80 MHzの光源は同波長で29.2%のRINを示し、ANDi光源の優位性を裏付けた。
• SD-OCTシステムの軸方向分解能は5.9 µmであった。1.8 mmの光学パス差（OPD）でも、ピークの広がりは顕著に観察されなかった。
• ANDi光源を用いた場合のシステム感度ロールオフは8.8 dB/mmであった。商業用光源（320 MHz：9.5 dB/mm、80 MHz：8.0 dB/mm）を上回る性能を示した。
• 皮膚、網膜、マルチレイヤー・フォントムのシャドー補正付きOCT画像は、商業用ソースと比較して、顕著にコントラストと透過深さが向上していた。
• 測定されたパrameters（P₀ = 10.4 mW、ρ = 0.5、η = 0.7、τ = 9.2 µs）に基づく理論的感度曲線は、ANDi光源を用いたシステムがショットノイズ制限に近い動作をしていることを確認した。