[논문 리뷰] Shot-noise limited, supercontinuum based optical coherence tomography

Shreesha Rao D. S., Mikkel Jensen외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 11.

Optical Coherence Tomography Applications참고 문헌 30인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 펌프 레이저로 파ulses를 사용한 전역 정규 분산(ANDi) 섬유 소스를 이용해, 처음으로 샘플링 도메인 광간섭측정법(SD-OCT)에서 샷노이즈 한계를 달성한 초연속 스펙트럼 기반의 SD-OCT를 보여준다. 펄스 간 상대적 강도 노이즈(RIN)를 1.1% 이하로 줄임으로써, 상대적으로 상업적 초연속 스펙트럼 소스보다 축소된 축 방향 해상도(5.9 µm), 향상된 감도, 대trast 및 투과 깊이를 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 초연속 스펙트럼(SC) 소스에서 발생하는 높은 강도 노이즈로 인해 SD-OCT 시스템이 샷노이즈 한계에 도달하지 못하는 기본적인 제약을 극복하기 위해.
• 파ulses를 사용한 펌프로 동작하는 전역 정규 분산(ANDi) 섬유를 기반으로 한 저노이즈 초연속 스펙트럼 소스를 개발하고 특성 분석하기 위해.
• 펄스 간 상대적 강도 노이즈(RIN)를 최소화함으로써, 초연속 스펙트럼 기반 SD-OCT에서 샷노이즈 한계 검출이 가능하다는 것을 입증하기 위해.
• RIN, 감도 및 영상 품질 측면에서 ANDi 기반 초연속 스펙트럼 소스와 상업용 80 MHz 및 320 MHz 초연속 스펙트럼 소스를 비교하기 위해.
• 피부, 망막 및 다층 페르포트 모형을 포함한 생물학적 샘플의 고해상도 영상 촬영을 통해 시스템 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 90 MHz 반복 주기의 파ulses 레이저를 사용해 전역 정규 분산(ANDi) 섬유를 펌프하여 저노이즈 초연속 스펙트럼을 생성하였다.
• ANDi 기반 소스와 두 상업용 초연속 스펙트럼 소스(80 MHz 및 320 MHz)의 펄스 간 상대적 강도 노이즈(RIN)를 각각 45,135, 249,078 및 997,288개 펄스를 측정하여 측정하였다.
• RIN을 RIN = σ/μ로 계산하였으며, 여기서 σ는 펄스 에너지 피크의 표준편차이고, μ는 평균이다.
• 광학적 경로 차이(OPD)를 스캔하고 A-scan 피크의 반폭 전체 너비(FWHM)를 분석하여 축 방향 해상도 측정을 수행하였다.
• 검출기 포화, 스펙트럼 분석기 통합 시간 및 노이즈 기여도를 고려하여 신호 대 노이즈 비(SNR) = 1일 때 감지 가능한 최소 반사율로 시스템 감도를 결정하였다.
• 이미지 품질 향상과 동적 범위 향상을 위해 후처리 단계에서 그림자 보정 및 헤밍 윈도우 적용을 시행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전역 정규 분산(ANDi) 섬유를 기반으로 한 초연속 스펙트럼 소스가, SD-OCT에서 샷노이즈 한계 검출을 가능하게 할 정도로 펄스 간 상대적 강도 노이즈(RIN)를 충분히 낮출 수 있는가?
• RQ2 ANDi 기반 초연속 스펙트럼 소스의 RIN은 1.25–1.5 µm 파장 범위에서 상업용 80 MHz 및 320 MHz 초연속 스펙트럼 소스와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 ANDi 소스의 저RIN 특성은 기존 초연속 스펙트럼 소스에 비해 OCT 영상의 대비, 감도 및 투과 깊이에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 1370 nm 중심 파장에서 ANDi 기반 초연속 스펙트럼 소스가 저노이즈를 유지하면서도 6 µm 이하의 축 방향 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 RIN 보정이 포함된 확장된 FDOCT 모델을 사용하여 SD-OCT 시스템의 이론적 감도를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• ANDi 기반 초연속 스펙트럼 소스는 1.25–1.5 µm 범위에서 펄스 간 상대적 강도 노이즈(RIN)가 1.1% 미만으로 측정되어 상업용 소스보다 10배 이상 낮았다.
• 320 MHz 상업용 초연속 스펙트럼 소스는 1.5 µm에서 RIN이 66%였고, 80 MHz 소스는 동일한 파장에서 29.2%의 RIN을 보였으며, 이는 ANDi 소스의 우월성을 확인하였다.
• SD-OCT 시스템의 축 방향 해상도는 5.9 µm로 측정되었으며, 1.8 mm 광학적 경로 차이에서도 뚜렷한 넓어짐이 관찰되지 않았다.
• ANDi 소스를 사용할 경우 시스템 감도 감소율은 8.8 dB/mm였고, 이는 320 MHz(9.5 dB/mm) 및 80 MHz(8.0 dB/mm) 상업용 소스보다 뛰어났다.
• 피부, 망막 및 다층 페르포트 모형의 그림자 보정된 OCT 영상에서 ANDi 소스를 사용할 경우 상업용 대안 대비 대비와 투과 깊이가 뚜렷이 향상되었다.
• 측정된 파rameter(P₀ = 10.4 mW, ρ = 0.5, η = 0.7, τ = 9.2 µs)를 기반으로 한 이론적 감도 곡선은 ANDi 소스를 사용할 경우 시스템이 샷노이즈 한계에 매우 가까이 도달하고 있음을 확인하였다.