Laser à balayage spectral double-bande pour l'imagerie biomédicale multimodale

Une source laser balayant simultanément deux bandes spectrales centrées à 780nm et 1 300nm a été conçue pour une utilisation en imagerie multimodale. La source repose sur deux milieux de gain : un amplicateur optique à semiconducteur fibré (Semiconductor Optical Amplifer ou SOA) centré à 1 300nm et une diode laser en espace libre centrée à 780 nm. Afin d'obtenir la simultanéité du balayage spectral dans les deux bandes, les filtres spectraux pour chacune des bandes utilisent différentes facettes d'un même miroir polygonal en rotation. Pour chaque bande, un téléscope dirige les longueurs d'onde séparées par un réseau de diffraction vers le miroir polygonal. Le miroir polygonal réfléchit alors l'étroite bande de longueurs d'onde normale à sa surface. Cette étroite bande spectrale est ensuite amplifiée lors du retour dans le milieu amplificateur. La rotation du polygone permet le balayage en longueur d'onde à une vitesse pouvant aller de 6 000 a 30 000 spectres par seconde, ou lignes-A par seconde en tomographie par cohérence optique (Optical Coherence Tomography ou OCT). La source à 780nm a une bande passante de 37 nm, une puissance de sortie de 54mW et une longueur de cohérence de 11 mm. La source à 1 300nm a quant à elle une bande passante de 75 nm, une puissance de 17mW et une longueur de cohérence de 7,2 mm. Afin de tester le potentiel de la source en imagerie biomédicale, trois systèmes multimodaux ont été conçus. Premièrement, un système OCT deux couleurs qui permet l'imagerie tridimensionnelle de tissus biologiques a été réalisé. Un nouveau design incorporant une détection balancée dans les deux bandes spectrales est proposé et testé. Deuxièmement, un système combinant l'OCT et la microscopie confocale encodée spectralement (Spectrally En- coded Confocal Microscopy ou SECM) a été construit. Dans ce système, le système SECM permet d'obtenir des images de la surface de l'échantillon avec une résolution subcellulaire simultanément à l'image 3D obtenue en OCT. Les images obtenues pour ces deux systèmes exploitent les deux bandes spectrales de la source à balayage : les courtes longueurs d'onde sont employées pour obtenir une résolution accrue, tandis que les longueurs d'onde élevées sont employées pour obtenir une profondeur de pénétration superieure. Troisièmement, un système combinant l'OCT à la détection de fluorescence a été concu, ajoutant ainsi l'imagerie fonctionnelle aux images structurelles obtenues par l'OCT. Une fois ces trois systèmes fonctionnels en version laboratoire, une des voies d'avenir de mon projet serait de les adapter pour permettre l'imagerie multimodale en endoscopie. La fabrication de composants fibres qui combinent l'illumination des deux modalités tout en démultiplexant leur détection serait une avenue possible, tout comme le dévéloppement de l'optomécanique adaptée à l'imagerie in vivo.

Abstract

A novel swept laser providing simultaneous dual-band (780nm and 1 300 nm) wavelength scanning has been designed for use in multimodal imaging systems. The swept laser is based on two gain media : a bered semiconductor optical amplier (SOA) centered at 1 300nm and a free-space laser diode centered at 780 nm. Simultaneous wavelength tuning for both bands is obtained by separate wavelength lters set up around the same rotating polygonal mirror. For each band, a telescope in an innite conjugate setup converges the wavelengths dispersed by a grating on the polygon. The polygon re ects back a narrow band of wavelengths for ampli cation in the gain medium. Rotating the polygon enables wavelength tuning and imaging at a rate of 6 000 to 30 000 spectral lines/s, or A-lines/s in Optical Coherence Tomography (OCT). The 780nm source has a bandwidth of 37 nm, a bered output power of 54 mW and a coherence length of 11 mm. The 1 300nm source has a bandwidth of 75 nm, a bered output power of 17mW and a coherence length of 7.2 mm. Three multimodal systems were designed to test the potential of the swept laser in biomedical imaging. A two color OCT which allows three-dimensional in depth imaging of biological tissues with good morphological contrast was rst designed, including a novel arrangement for balanced detection in both bands. A simultaneous OCT and SECM instrument was also built in which spectrally encoded confocal microscopy (SECM) provides en face images of subcellular features with high resolution on top of the 3D high penetration image obtained by OCT. Finally, a system combining OCT with uorescence was designed, thus adding functional imaging to structural OCT images. There are many prospective paths for these three modalities, rst among them the adaptation of the systems such that they may be used with imaging probes. One potential solution would be the development of novel ber components to combine the illumination of theses modalities while demultiplexing their detection, and as would be the development of new optomechanics to enable 3D real-time in vivo imaging.