Filter Performance for Ballistic Transillumination

P. Vacas-Jacques, V. Ryabukho, M. Strojnik, V. Tuchin, G. Paez Theoretical Diffractive

Аннотация:
Обсуждается метод селективной регистрации баллистических фотонов при исследовании мутных сред, подобных биологическим тканям. Рассматриваются среды с сильным анизотропным рассеянием вперед (коэффициент анизотропии g > 0,9). Предложено применение дифракционного нелинейного фильтра углового спектра оптических волн для отделения слабого баллистического сигнала от оптического шума, обусловленного рассеянием вперед. Для реализации фильтрации используется отражающая дифракционная решетка и пространственная фильтрация монохроматического дифрагированного излучения с помощью узкой щели в скользящих дифракционных порядках. Малые отклонения в углах распространения рассеянного излучения нелинейно увеличиваются в дифрагированном излучении. Поворотная схема фильтрации с разрешением в 1 угловую минуту обеспечивает угловое увеличение в 15-60 раз. Кроме этого, поперечное сокращение апертуры дифрагированного пучка обеспечивает эффективную 100-1000 кратную фильтрацию оптического шума. Выполнены расчеты по методу Монте-Карло для имитирования взаимодействия оптического излучения с мутной средой. Влияние фильтра рассматривается путем использования лучевого анализа и теории конической дифракции на отражающей дифракционной решетке. Для образцов с g ≤ 0,99 продемонстрировано, что фильтр позволяет изолировать баллистические фотоны. Для сильно анизотропного рассеяния вперед, g ≥ 0,995, схема фильтрации обеспечивает существенное (~103) снижение оптического шума.

Abstract:
We address the topic of selectively probing turbid media, equivalent to biological tissue, with ballistic photons. The samples considered exhibit highly forward-directed scattering (anisotropy factor g > 0.9). We propose the utilization of a non-linear grating-based angular filter to separate the faint ballistic signal from optical noise. The filter is conformed of a monochromatic source incident on a ruled grating, positioned at grazing diffraction, followed by a narrow slit. Minute deviations in propagation angle of scattered radiation are amplified non-linearly. A rotation scheme with 1 arc min resolution may provide angular amplifications in the range of 15X-60X. In addition, similar values of transversal beam size reduction enable efficient ~100X-1000X filtering of optical noise. We utilize random walk Monte Carlo calculations to emulate the interactions between radiation and turbid media. The influence of the filter is considered by employing ray trace analysis and conical diffraction theory of ruled gratings. For samples with g ≤ 0.99, we demonstrate that the filter enables isolation of ballistic photons. For very marked forward-scattering g ≥ 0.995, the configuration permits a significant ~103 reduction of optical noise.

 

Ключевые слова:
пространственно-угловой фильтр, скользящая дифракция, отражающие дифракционные решетки, коническая дифракция, метод Монте-Карло, баллистическое просвечивание, имиджинг и анализ биологических тканей.

Key words:
Angular filter, grazing diffraction, ruled gratings, conical diffraction, Monte Carlo computations, ballistic transillumination, tissue imaging, tissue characterization.

Литература/References:

  1. Diagnosis and management of dental caries throughout life / National Institutes of Health Consensus Statement 18: NIH, 2001. - 30 p.
  2. Bühler, C. Imaging of occlusal dental caries (decay) with near-IR light at 1310-nm / C. Bühler, P. Ngaotheppitak, D. Fried // Opt. Express 2005. Vol. 13. P. 573-582.
  3. Vacas-Jacques, P. Pass-through photon-based biomedical transillumination / P. Vacas-Jacques, G. Paez, M. Strojnik // J. Biomed. Opt. 2008. Vol. 13. P. 041307.
  4. Vacas-Jacques, P. Forward-calculated analytical interferograms in pass-through photon-based biomedical transillumination / P. Vacas-Jacques, M. Strojnik, G. Paez // J. Opt. Soc. Am. A 2009. Vol. 26. P. 602-612.
  5. Лычагов, В.В. Автокорреляционная низкокогерентная интерферометрия рассеивающих и слоистых объектов / В.В. Лычагов, Д.В. Лякин, М.Д. Модель, В.П. Рябухо // Компьютерная оптика. 2007. Т.31. №3. C. 40-51.
  6. Modell, M. Autocorrelation low coherence interferometry / M. Modell, V. Ryabukho, D. Lyakin, V. Lychagov, E. Vitkin, I. Itzkan, L.T. Perelman // Opt. Commun. 2008. Vol. 281. P. 1991-1996.
  7. Chang, J. Imaging of fluorescence in highly scattering media / J. Chang, H. Graber, R. Barbour // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1997. Vol. 44. P. 810-822.
  8. Graaff, R. Diffusion coefficient in photon diffusion theory / R. Graaff, J.J. Ten Bosch // Opt. Lett. 2000. Vol. 25. P. 43-45.
  9. Kim, A.D. Transport theory for light propagation in biological tissue / A.D. Kim // J. Opt. Soc. Am. A 2004. Vol. 21. P. 820-827.
  10. Kim, A.D. Radiative transport theory for optical molecular imaging / A.D. Kim, M. Moscoso // Inverse Probl. 2006. Vol. 22. P. 23-42.
  11. Flock, S.T. Total attenuation coefficients and scattering phase functions of tissues and phantom materials at 633 nm / S.T. Flock, B.C. Wilson, M.S. Patterson // Med. Phys. 1987. Vol. 14. P. 835-841.
  12. Cheong, W.F. A review of the optical properties of biological tissues / W.F. Cheong, S.A. Prahl, A.J. Welch // IEEE J. Quantum Elect. 1990. Vol. 26. P. 2166-2185.
  13. Optical-thermal response of laser-irradiated tissue: Summary of optical properties / W.F. Cheong; A.J. Welch (ed.) // Plenum Press, New York, 1995, Append. Chap. 8.
  14. Fried, D. Early caries imaging and monitoring with near-infrared light / D. Fried, J. Featherstone, C. Darling, R. Jones, P. Ngaotheppitak, C. Bühler // Dent. Clin. North Am. 2005. Vol. 49. P. 771-793.
  15. Wang, L. Ballistic 2-D imaging through scattering walls using an ultrafast optical Kerr gate / L. Wang, P. Ho, C. Liu, G. Zhang, R. Alfano // Science 1991. Vol. 253. P. 769-771.
  16. Hee, M. Femtosecond transillumination tomography in thick tissues / M. Hee, J. Izatt, E. Swanson, J. Fujimoto // Opt. Lett. 1993. Vol. 18. P. 1107-1109.
  17. Le Tolguenec, G. Two-dimensional time-resolved direct imaging through thick biological tissues: a new step toward noninvasive medical imaging / G. Le Tolguenec, F. Devaux, E. Lantz // Opt. Lett. 1998. Vol. 24. P. 1047-1049.
  18. Yasui, T. Ultrafast time-resolved spectroscopic imaging using femtosecond amplifying optical Kerr gate / T. Yasui, E. Abraham, K. Minoshima, H. Matsumoto, G. Jonusauskas, C. Rulliere // Nonlinear Optics '98: Materials, Fundamentals and Applications Topical Meeting 1998. P. 218-220.
  19. Popov, E. Conical diffraction mounting generalization of a rigorous differential method / E. Popov, L. Mashev // J. Optics 1986. Vol. 17. P. 175-180.
  20. Loewen E.G. Diffraction gratings and applications / E.G. Loewen, E. Popov - New York: Dekker, 1997. - 601 p.
  21. Vacas-Jacques, P. Non-linear grating-based angular filter for ballistic transillumination / P. Vacas-Jacques, V.P. Ryabukho, M. Strojnik, V.V. Tuchin, G. Paez // Accepted for presentation in: European Conferences on Biomedical Optics 2009.
  22. Sun, K.X. Grating angle magnification enhanced angular and integrated sensors for LISA applications / K.X. Sun, S. Buchman, R. Byer // J. Phys.: Conf. Ser. 2006. Vol. 32. P. 167-179.
  23. Sun, K.X. Grating angle magnification enhanced angular sensor and scanner / K.X. Sun, R. Byer // United States Patent No. 20080002197A1, Palo Alto, 2008, Appl. No. 11/820,720.
  24. Vacas-Jacques, P. Monte-Carlo simulation of photon trans-illumination time of flight / P. Vacas-Jacques, M. Strojnik, G. Paez // Proc. SPIE, 2007. Vol. 6631. P. 663114-1-663114-12.
  25. Gutierrez-Herrera, E. Interferometric tolerance determination for a Dove prism using exact ray trace / E. Gutierrez-Herrera, M. Strojnik // Opt. Commun. 2008. Vol. 281. P. 897-905.

© 2009, ИСОИ РАН
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846 2) 332-56-22, факс: +7 (846 2) 332-56-20