Miniaturized Optical Probes for Near Infrared Spectroscopy

L'étude de la propagation de la lumière dans des milieux hautement diffus tels que les tissus biologiques (imagerie optique diffuse) est très attrayante, car elle offre la possibilité d'explorer de manière non invasive le milieu se trouvant profondément sous la surface, et de retrouver des informations sur l'absorption (liée à la composition chimique) et sur la diffusion (liée à la microstructure). Dans la gamme spectrale 600-1000 nm, également appelée gamme proche infrarouge (NIR en anglais), l'atténuation de la lumière par le tissu biologique (eau, lipides et hémoglobine) est relativement faible, ce qui permet une pénétration de plusieurs centimètres dans le tissu. En spectroscopie proche infrarouge (NIRS en anglais), de photons sont injectés dans les tissus et le signal émis portant des informations sur les constituants tissulaires est mesuré. La mesure de très faibles signaux dans la plage de longueurs d'ondes visibles et proche infrarouge avec une résolution temporelle de l'ordre de la picoseconde s'est révélée une technique efficace pour étudier des tissus biologiques en imagerie cérébrale fonctionnelle, en mammographie optique et en imagerie moléculaire, sans parler de l'imagerie de la durée de vie de fluorescence, la spectroscopie de corrélation de fluorescence, informations quantiques et bien d'autres. NIRS dans le domaine temporel (TD en anglais) utilise une source de lumière pulsée, généralement un laser fournissant des impulsions lumineuses d'une durée de quelques dizaines de picosecondes, ainsi qu'un appareil de détection avec une résolution temporelle inférieure à la nanoseconde. Le point essentiel de ces mesures est la nécessité d'augmenter la sensibilité pour de plus grandes profondeurs d'investigation, en particulier pour l'imagerie cérébrale fonctionnelle, où la peau, le crâne et le liquide céphalo-rachidien (LCR) masquent fortement le signal cérébral. À ce jour, l'adoption plus large de ces techniques optique non invasives de surveillance est surtout entravée par les composants traditionnels volumineux, coûteux, complexes et fragiles qui ont un impact significatif sur le coût et la dimension de l'ensemble du système. Notre objectif est de développer une sonde NIRS compacte et miniaturisée, qui peut être directement mise en contact avec l'échantillon testé pour obtenir une haute efficacité de détection des photons diffusés, sans avoir recours à des fibres et des lentilles encombrantes pour l'injection et la collection de la lumière. Le système proposé est composé de deux parties: i) une unité d'émission de lumière pulsée et ii) un module de détection à photon unique qui peut être activé et désactivé rapidement. L'unité d'émission de lumière utilisera une source laser pulsée à plus de 80 MHz avec une largeur d'impulsion de picoseconde.

Abstract

The study of light propagation into highly diffusive media like biological tissues (Diffuse Optical Imaging) is highly appealing due to the possibility to explore the medium non-invasively, deep beneath the surface and to recover information both on absorption (related to chemical composition) and on scattering (related to microstructure). In the 600–1000 nm spectral range also known as near-infrared (NIR) range, light attenuation by the biological tissue constituents (i.e. water, lipid, and hemoglobin) is relatively low and allows for penetration through several centimeters of tissue. In near-infrared spectroscopy (NIRS), a light signal is injected into the tissues and the emitted signal carrying information on tissue constituents is measured. The measurement of very faint light signals in the visible and near-infrared wavelength range with picosecond timing resolution has proven to be an effective technique to study biological tissues in functional brain imaging, optical mammography and molecular imaging, not to mention fluorescence lifetime imaging, fluorescence correlation spectroscopy, quantum information and many others. Time Domain (TD) NIRS employs a pulsed light source, typically a laser providing light pulses with duration of a few tens of picoseconds, and a detection circuit with temporal resolution in the sub-nanosecond scale. The key point of these measurements is the need to increase the sensitivity to higher penetration depths of investigation, in particular for functional brain imaging, where skin, skull, and cerebrospinal fluid (CSF) heavily mask the brain signal. To date, the widespread adoption of the non-invasive optical monitoring techniques is mainly hampered by the traditional bulky, expensive, complex and fragile components which significantly impact the overall cost and dimension of the system. Our goal is the development of a miniaturized compact NIRS probe, that can be directly put in contact with the sample under test to obtain high diffused photon harvesting efficiency without the need for cumbersome optical fibers and lenses for light injection and collection. The proposed system is composed of two parts namely; i) pulsed light emission unit and ii) gated single-photon detection module. The light emission unit will employ a laser source pulsed at over 80MHz with picosecond pulse width generator embedded into the probe along with the light detection unit which comprises single-photon detectors integrated with other peripheral control circuitry. Short distance source and detector pairing, most preferably on a single chip has the potential to greatly expedites the traditional method of portable brain imaging.