Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Dispersion in Biomedical Optical Imaging Systems" (Hiện tượng tán sắc trong các hệ thống chụp ảnh quang học y sinh) được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Sanghoon Oh dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Thomas E. Milner tại Đại học Texas ở Austin (The University of Texas at Austin), bảo vệ vào tháng 5 năm 2006. Nghiên cứu thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh và Kỹ thuật Quang học (Biophotonics).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Chụp cắt lớp kết hợp quang học (Optical Coherence Tomography - OCT) là kỹ thuật giao thoa kế có độ nhạy cao dùng để đo phản xạ ánh sáng từ mẫu sinh học, cho phép thu nhận hình ảnh cắt ngang cấu trúc dưới mức tế bào in vivo với độ phân giải vài micromet. Nhằm nâng cao độ phân giải dọc, các hệ thống OCT hiện đại bắt buộc phải sử dụng các nguồn laser có dải phổ rộng (broadband laser sources). Tuy nhiên, việc mở rộng dải phổ làm phát sinh hiện tượng tán sắc sắc sai (chromatic dispersion), do chiết suất của môi trường và vận tốc pha của sóng ánh sáng thay đổi theo tần số quang học. Tán sắc làm suy giảm chất lượng thông tin hình ảnh thông qua việc kéo dài độ dài kết hợp (coherence length), biến dạng bất đối xứng hàm kết hợp và làm mờ các lớp cấu trúc mô.

Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ xem tán sắc là một yếu tố nhiễu cần triệt tiêu bằng các thuật toán xử lý tín hiệu hoặc chèn thêm thành phần quang học bù trừ. Khoảng trống nghiên cứu mà tác giả xác định là: thông tin tán sắc và sự biến thiên chiết suất bậc cao theo bước sóng mang đặc trưng riêng của từng loại vật chất. Do đó, việc trích xuất và đo lường chính xác thông tin tán sắc có thể được ứng dụng như một phương pháp quang phổ học để nhận diện cấu trúc, định tính và định lượng các thành phần cấu tạo của mẫu sinh học.

Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết các mục tiêu cụ thể sau:

  1. Thiết kế và đánh giá tính khả thi của hệ thống kiểm soát và bù trừ tán sắc trong OCT miền thời gian (Time-Domain OCT) sử dụng bộ điều chế ánh sáng không gian (Spatial Light Modulator - SLM) theo cấu hình hình học 4-f.
  2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đặc tính pha của bộ điều chế ánh sáng không gian SLM bằng kỹ thuật chụp cắt lớp kết hợp quang học pha vi phân (Differential Phase Optical Coherence Tomography - DPOCT).
  3. Thiết lập hệ thống giao thoa kế quang phổ đường dẫn chung dựa trên sợi quang (Fiber-based Common-path Spectral Interferometer) và quy trình xử lý tín hiệu mới để đo lường chiết suất bậc cao, độ tán sắc của nước và định lượng nồng độ dung dịch sinh hóa (glucose).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước khử ion siêu lọc (Deionized Ultra Filtered Water - DIUF H₂O) làm môi trường tán sắc chuẩn; dung dịch glucose hòa tan trong nước ở các nồng độ khác nhau; tế bào và cấu trúc mô sinh học (trong định hướng ứng dụng); các phần tử quang học gồm bộ điều chế ánh sáng không gian tinh thể lỏng (SLM-128), lăng kính Wollaston, bộ điều chế pha $\text{LiNbO}_3$, cách xạ nhiễu xạ và sợi quang duy trì phân cực (PM Panda fiber).
  • Phạm vi không gian và quang phổ:
    • Hệ thống OCT miền thời gian và kiểm soát tán sắc hoạt động trong dải bước sóng 800–900 nm (laser Ti:Sapphire, bước sóng trung tâm $\lambda_0 = 850\text{ nm}$, độ rộng phổ $\Delta\lambda = 80\text{ nm}$); độ sâu buồng mẫu nước là 1 mm ($1000\ \mu\text{m}$).
    • Hệ thống hiệu chuẩn DPOCT sử dụng nguồn laser diode bán dẫn bước sóng trung tâm $\lambda_0 = 1,31\ \mu\text{m}$ (1310 nm), độ rộng phổ FWHM = 60 nm, kết hợp chùm định vị 633 nm.
    • Hệ thống giao thoa quang phổ đường dẫn chung sử dụng laser quét tần số (swept laser source) khảo sát nồng độ dung dịch glucose trong hai dải: dải hẹp $0 - 5\text{ mM}$ (bước tăng $1\text{ mM}$) và dải rộng $0 - 50\text{ mM}$ (bước tăng $5\text{ mM}$).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tác giả Sanghoon Oh đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu nền tảng trong quang học y sinh và giao thoa kế:

Các hướng nghiên cứu tiền đề

  • Sự phát triển của kỹ thuật OCT: Công trình khởi xướng của Huang và cộng sự (1991) giới thiệu OCT; các nghiên cứu tổng quan của Fercher và cộng sự (2003), Schmitt (1999); các ứng dụng tạo ảnh mô đục của Brezinski & Fujimoto (1999) và Bordenave và cộng sự (2002).
  • So sánh độ nhạy giữa các miền đo: Choma và cộng sự (2003), DeBoer và cộng sự (2003), Leitgeb, Hitzenberger & Fercher (2003) chứng minh rằng OCT miền phổ (Spectral-Domain OCT / Swept-Source OCT) có ưu thế độ nhạy vượt trội hơn OCT miền thời gian lên đến 30 dB.
  • Hiện tượng tán sắc và quang học siêu nhanh: Lý thuyết truyền sóng và tán sắc của Born & Wolf (1999); vai trò của tán sắc trong quang học xung cực ngắn của Walmsley, Waxer & Dorrer (2001).
  • Tính toán và đo lường độ trễ nhóm/tán sắc: Knox và cộng sự (1988) đo trễ nhóm femtosecond; Hitzenberger và cộng sự (1999) phân tích ảnh hưởng tán sắc trong giao thoa kết hợp một phần đối với mắt; Hammer và cộng sự (1999) dùng giao thoa kế ánh sáng trắng phân giải quang phổ; Kim & Walsh (2003) tính toán độ dốc pha và tán sắc nhóm bằng phản xạ kế kết hợp thấp (OLCR); Wojtkowski và cộng sự (2004) nghiên cứu bù tán sắc trong OCT miền Fourier siêu phân giải; Marks và cộng sự (2003) phát triển thuật toán tự động lấy nét (autofocus algorithm) để hiệu chỉnh tán sắc.
  • Kỹ thuật bù trừ tán sắc số và phần cứng: Fercher và cộng sự (2001, 2002) phát triển kỹ thuật số bù trừ tán sắc cho tín hiệu quét độ sâu OCT; Dave & Milner (2000) phát triển phản xạ kế kết hợp thấp đo pha vi phân.
  • Dữ liệu chuẩn về chiết suất của nước: Công trình của Bertie & Lan (1995, 1996) cung cấp hằng số quang học và chiết suất thực/ảo của nước lỏng $\text{H}_2\text{O}$ ở $25^\circ\text{C}$.
  • Hiệu chuẩn bộ điều chế ánh sáng không gian: Các phương pháp truyền thống sử dụng giao thoa kế Mach-Zender dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường, hoặc phương pháp vân giao thoa Young đòi hỏi thuật toán tính toán phức tạp.

Vị trí và khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án định vị nghiên cứu tại điểm giao thoa giữa đo lường quang học chính xác cao và xử lý tín hiệu giao thoa. Tác giả giải quyết các hạn chế trước đó bằng cách: (1) Hiện thực hóa phần cứng bù tán sắc chủ động khả trình bằng SLM trong cấu hình 4-f; (2) Giải quyết bài toán hiệu chuẩn SLM bằng giao thoa kế pha vi phân hai kênh khử nhiễu mode chung với độ chính xác đạt 0,05 rad (~5 nm); (3) Xây dựng giải thuật phân tích pha quang phổ kết hợp biến đổi Fourier không đều (Non-Uniform Fourier Transformation - NUFT) để định lượng chiết suất bậc cao và đo nồng độ chất tan sinh học.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án tiếp cận theo hướng nghiên cứu thực nghiệm kỹ thuật quang học kết hợp mô phỏng số và giải thuật xử lý tín hiệu.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       KHUNG PHÂN TÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP                          |
+------------------------------------+------------------------------------------+
| HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM               | MÔ HÌNH TOÁN HỌC & XỬ LÝ TÍN HIỆU        |
| - Giao thoa kế Michelson 4-f / SLM | - Tín hiệu giải tích (Hilbert Transform) |
| - Giao thoa kế DPOCT sợi quang PM  | - Biến đổi Fourier không đều (NUFT)      |
| - Giao thoa kế phổ Common-path     | - Chu kỳ đồ Lomb-Scargle & Multitaper    |
| - Laser Ti:Sapphire & Swept Source | - Khớp đa thức bậc 5 hàm pha quang phổ   |
+------------------------------------+------------------------------------------+

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  1. Mật độ phổ số photon phát hiện trong giao thoa kế: Tín hiệu giao thoa ghi nhận tại bộ thu quang (photodetector) được mô tả bởi phương trình: $$n_D = \frac{\eta}{2} a_0(\nu) \left[ s + r + 2\sqrt{sr} \cos\left( \frac{4\pi\nu\Delta l}{c} + (\phi_s - \phi_r) \right) \right]$$ Trong đó: $\eta$ là hiệu suất lượng tử của đầu thu; $a_0(\nu)$ là mật độ phổ số photon của nguồn sáng; $\nu$ là tần số quang học; $s, r$ lần lượt là hệ số phản xạ của nhánh mẫu và nhánh tham chiếu; $\Delta l$ là hiệu đường đi quang học; $\phi_s, \phi_r$ là pha ban đầu của hai nhánh; $c$ là vận tốc ánh sáng trong chân không.

  2. Hàm kết hợp và tín hiệu giải tích: Hàm kết hợp đo được $\Gamma(\tau)$ từ nguồn sáng có phân bố phổ dạng Gauss: $$N_s(\nu) = \frac{N_0}{\sqrt{2\pi}\Delta\nu} \exp\left( -\frac{(\nu - \nu_0)^2}{2\Delta\nu^2} \right)$$ $$\Gamma(\tau) = \int N_s(\nu) \exp(i\Phi(\nu)) d\nu$$ Thành phần ảo $u_i(t)$ của tín hiệu giải tích được thiết lập thông qua biến đổi Hilbert từ thành phần thực $u_r(\zeta)$ thu được từ thực nghiệm: $$u_i(t) = \frac{1}{\pi} P \int_{-\infty}^{\infty} \frac{u_r(\zeta)}{t - \zeta} d\zeta$$ Pha của hàm kết hợp trong miền tần số là tuyến tính đối với mẫu không tán sắc và phi tuyến đối với mẫu có tán sắc.

  3. Độ nhạy dịch pha trong DPOCT: Khi sử dụng lăng kính Wollaston có góc cắt $\alpha$ và góc phân kỳ $\theta$, độ nhạy dịch pha $\Delta\Phi$ theo vị trí dịch chuyển ngang $\Delta x$ được xác định bởi: $$\frac{\Delta\Phi}{\Delta x} = \frac{4\pi}{\lambda_0} \frac{\Delta n \tan\alpha}{\cos(\theta/2)}$$ Với $\Delta n = n_e - n_o = 1,538$ (độ lưỡng chiết của thạch anh), $\lambda_0 = 1310\text{ nm}$, $\alpha = 45^\circ$, $\theta = 2^\circ$, độ nhạy lý thuyết tính được là $96,65\text{ rad/mm}$.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

  • Phân tích dữ liệu miền tần số: Biến đổi Fourier không đều (Non-Uniform Fourier Transformation - NUFT) để loại bỏ hiện tượng lấy mẫu tần số không đồng đều của nguồn laser quét; phân tích phổ đa cửa sổ (Multitaper spectral analysis) và phân tích chu kỳ đồ Lomb-Scargle (Lomb-Scargle periodogram analysis) để ước tính chiều dài đường đi quang học và biên độ phản xạ từ các mặt phân giới.
  • Kỹ thuật cuộn pha (Phase Wrapping): Dịch pha tính toán được cuộn trong khoảng $[-\pi, +\pi]$ để phù hợp với dải điều khiển điện áp của SLM.
  • Thiết bị và thu nhận dữ liệu: Tín hiệu từ đầu thu New Focus được khuếch đại bằng bộ khuếch đại vi phân LeCroy, chuyển đổi tương tự - số bằng bo mạch NI-DAQ (12-bit, 500 kS/s) và CompuScope 12100 (12-bit); điều khiển thiết bị qua chuẩn giao tiếp GPIB/IEEE-488 trên nền tảng LabVIEW.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương này trình bày bối cảnh ra đời của quang sinh học, nguyên lý hoạt động của hai cấu hình OCT chính (Time-Domain và Spectral-Domain OCT). Tác giả phân tích nguồn gốc vật lý của hiện tượng tán sắc sắc sai khi sử dụng nguồn sáng băng rộng và ảnh hưởng tiêu cực của nó đến độ phân giải ảnh cắt lớp. Chương 1 xác định động lực nghiên cứu: chuyển đổi tán sắc từ một yếu tố suy giảm tín hiệu thành một tham số đo lường hữu ích để đặc trưng hóa thành phần mô, đồng thời phác thảo cấu trúc tổng thể của luận án.

Chapter 2: Dispersion Control System for Optical Coherence Tomography: Feasibility Study

Chương 2 tập trung vào nghiên cứu tính khả thi của hệ thống kiểm soát và bù trừ tán sắc trong OCT miền thời gian.

THÀNH PHẦN HỆ THỐNG 4-f THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHI TIẾT
Bộ điều chế SLM-128 Tinh thể lỏng 128 pixel, kích thước $12,8\text{ mm} \times 2\text{ mm} \times 15\ \mu\text{m}$, kích thước mỗi pixel $100\ \mu\text{m} \times 2\text{ mm}$, điều khiển 12-bit ($0 - 10\text{ V}$)
Thấu kính hội tụ 2 thấu kính tiêu sắc bộ ba (achromatic triplet lens), tiêu cự $f = 50,8\text{ mm}$ (JML Optical Industries)
Cách xạ nhiễu xạ 2 cách xạ phản xạ, mật độ vạch $G = 830\text{ rãnh/mm}$ (Thermo RGL)
Nguồn phát quang Laser Ti:Sapphire, dải phổ $800 - 900\text{ nm}$, $\lambda_0 = 850\text{ nm}$, $\Delta\lambda = 80\text{ nm}$
Mẫu thí nghiệm Buồng chứa nước DIUF dày 1 mm cấu tạo từ 2 phiến kính hiển vi dày $140\ \mu\text{m}$ (4 bề mặt phản xạ)
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       SƠ ĐỒ BỘ KIỂM SOÁT TÁN SẮC 4-f                          |
|                                                                               |
|  Ánh sáng vào                                                  Ánh sáng ra    |
|       |                                                             ^         |
|       v                                                             |         |
|  [Cách xạ 1] ---> (Thấu kính 1) ---> [ SLM-128 ] ---> (Thấu kính 2) ---> [Cách xạ 2]
|    (830 l/mm)        (f=50.8mm)      (Mặt phẳng       (f=50.8mm)     (830 l/mm)
|                                       Fourier)                                |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Các kết quả và số liệu chính:

  • Phân tích tín hiệu giải tích qua biến đổi Hilbert cho thấy pha của mẫu không tán sắc là đường thẳng tuyến tính theo tần số, trong khi pha của mẫu nước 1 mm có sự uốn cong phi tuyến rõ rệt.
  • Trong dải bước sóng $835 - 870\text{ nm}$ ($\Delta\lambda = 42\text{ nm}$), độ biến thiên dịch pha đo được trên quãng đường truyền kép (double pass) là $25,42\text{ rad}$, so với kết quả mô phỏng số từ dữ liệu Bertie & Lan là $24,90\text{ rad}$ (độ lệch $0,52\text{ rad}$, sai số tương đối 2%).
  • Khảo sát mô phỏng độ sâu mẫu nước từ $0$ đến $1500\ \mu\text{m}$ (bước tăng $50\ \mu\text{m}$) xác nhận mối quan hệ tuyến tính giữa lượng tán sắc và độ sâu, với hằng số tỉ lệ đạt $24,89\text{ rad/mm}$ trong truyền kép.
  • Dữ liệu dịch pha được cuộn trong khoảng $[-\pi, +\pi]$ để nạp vào 128 pixel của SLM, chứng minh khả năng tạo hàm bù trừ tán sắc vật liệu bằng phần cứng quang học.

Chapter 3: Method to Calibrate Spatial Light Modulator (SLM) using Differential Phase Optical Coherence Tomography (DPOCT)

Chương 3 trình bày giải pháp hiệu chuẩn đáp ứng quang - điện của bộ điều chế ánh sáng không gian SLM bằng kỹ thuật DPOCT hai kênh phân cực.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                    HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN DPOCT HAI KÊNH                         |
|                                                                               |
| [Laser 1.31 um] ---> (Lyot Depolarizer) ---> [Bộ ghép PM 2x2]                 |
|                                                     |                         |
|         +-------------------------------------------+---------+               |
|         | (Nhánh mẫu)                                         | (Nhánh tham   |
|         v                                                     v  chiếu)       |
|  [Lăng kính Wollaston 1]                               [LiNbO3 Modulator]     |
|         | (Góc tách 2 độ)                                     |               |
|  (Thấu kính 1) ---> (Thấu kính 2)                      [Đường trễ RSDL]       |
|         |                                                     |               |
|  [Lăng kính Wollaston 2]                                      v               |
|         |                                              [Gương Galvanometer]   |
|  (Vật kính 10x)                                                               |
|         |                                                                     |
|         v                                                                     |
|  [Tinh thể lỏng SLM]                                                          |
|   - Trục E: Phản xạ mặt trước  ---> Đầu thu 1                                 |
|   - Trục O: Phản xạ mặt sau    ---> Đầu thu 2                                 |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Các đặc tính kỹ thuật và thông số vận hành:

  • Nguồn sáng: Laser diode ACF Technologies BBS 1310B-TS ($\lambda_0 = 1,31\ \mu\text{m}$, $\Delta\lambda = 60\text{ nm}$), kết hợp chùm định vị 633 nm.
  • Sợi quang: Sợi duy trì phân cực Fujikura Panda fiber, ghép nối góc $45^\circ$ và $90^\circ$ để đồng bộ chiều dài quang học giữa hai trục phân cực trực giao.
  • Bộ khử phân cực Lyot: Tách nguồn sáng thành hai chùm phân cực trực giao có biên độ bằng nhau và trễ thời gian hoàn toàn.
  • Cấu hình nhánh mẫu: 2 lăng kính Wollaston (góc phân kỳ $2^\circ$), 2 thấu kính bộ ba và vật kính hiển vi 10x. Chùm tia phân cực dọc (trục bất thường - E) phản xạ từ mặt trước tinh thể lỏng đi về đầu thu 1; chùm tia phân cực ngang (trục thông thường - O) truyền qua lớp tinh thể lỏng và phản xạ từ mặt sau đi về đầu thu 2.
  • Kết quả hiệu chuẩn: DPOCT triệt tiêu nhiễu pha mode chung do biến động môi trường, đạt độ chính xác pha $0,05\text{ rad}$ (tương đương độ dịch chuyển quang trình $\sim 5\text{ nm}$). Hệ thống ghi nhận chính xác đường cong đáp ứng trễ pha của 10 cell tinh thể lỏng độc lập khi quét điện áp điều khiển từ $0$ đến $10\text{ V}$ (tương ứng $0 - 4095$ mức số, độ phân giải $2,44\text{ mV}$).

Chapter 4: A Fiber-Based Common-Path Spectral Interferometer for Measurement of Higher-Order Refractive Index and Dispersion

Chương 4 thiết lập hệ thống giao thoa kế quang phổ đường dẫn chung dùng sợi quang để đo chiết suất bậc cao, độ tán sắc và nồng độ dung dịch glucose.

Phương pháp và quy trình xử lý tín hiệu:

  • Cấu hình đường dẫn chung (common-path) giúp chùm tia phản xạ tham chiếu và chùm tia qua mẫu đi qua cùng một đường dẫn quang học, triệt tiêu tối đa rung động cơ học và trôi pha nhiệt.
  • Ứng dụng thuật toán biến đổi Fourier không đều (NUFT) để khắc phục sai số do nguồn laser quét không tuyến tính theo thời gian.
  • Sử dụng phân tích chu kỳ đồ Lomb-Scargle để định vị chính xác vị trí các mặt phân giới của buồng mẫu và tính toán chiều dài đường đi quang học (OPL).
+-------------------------------------------------------------------------------+
|             QUY TRÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO CHIẾT SUẤT VÀ GLUCOSE                |
|                                                                               |
| [Tín hiệu giao thoa miền phổ] ---> [Biến đổi Fourier không đều (NUFT)]        |
|                                                  |                            |
|                                                  v                            |
|                                    [Chu kỳ đồ Lomb-Scargle]                   |
|                                    (Xác định vị trí bề mặt & OPL)             |
|                                                  |                            |
|                                                  v                            |
|                                    [Trích xuất hàm pha quang phổ]             |
|                                                  |                            |
|                                                  v                            |
|                                    [Khớp đa thức bậc 5 (Curve Fitting)]       |
|                                                  |                            |
|               +----------------------------------+------------------+         |
|               v                                                     v         |
|   [Đo tán sắc bậc cao của H2O]                          [Định lượng Glucose]  |
|   (Tương quan R^2 = 0.995 / 0.97                        (Dải 0-5 mM & 0-50 mM,|
|    với dữ liệu chuẩn Bertie & Lan)                       20 lần đo lặp lại)   |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Kết quả thực nghiệm:

  • Đo tán sắc của nước: Đường cong biến thiên pha quang phổ bậc cao đo được từ 20 lần đo lặp lại được khớp đa thức bậc 5. So sánh với kết quả tính toán số từ chiết suất chuẩn của Bertie & Lan cho thấy sự trùng khớp cao với hệ số tương quan đạt $R^2 = 0,995$ (hoặc $0,97$), sai số toàn phương trung bình chuẩn hóa ở mức rất thấp.
  • Định lượng nồng độ glucose:
    • Khảo sát dải nồng độ thấp từ $0$ đến $5\text{ mM}$ (bước tăng $1\text{ mM}$) và dải nồng độ cao từ $0$ đến $50\text{ mM}$ (bước tăng $5\text{ mM}$).
    • Mỗi điểm đo được thực hiện 20 lần để tính giá trị trung bình và độ lệch chuẩn (thể hiện qua các thanh sai số).
    • Kết quả chứng minh biến thiên pha quang phổ tỷ lệ đơn điệu với nồng độ glucose, khẳng định độ nhạy cao của kỹ thuật trong việc nhận diện thành phần chất tan.

Chapter 5: Summary and Conclusions

Chương 5 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được của luận án:

  • Chứng minh tính khả thi của việc đánh giá tán sắc thông qua phân tích pha của hàm kết hợp trong miền tần số và kiểm soát tán sắc bằng hệ thống 4-f tích hợp SLM.
  • Khẳng định độ chính xác và độ ổn định của phương pháp hiệu chuẩn SLM bằng DPOCT hai kênh sợi quang.
  • Xác nhận hiệu quả của hệ thống giao thoa quang phổ đường dẫn chung kết hợp giải thuật NUFT và phân tích pha đa thức bậc 5 trong việc đo lường chiết suất bậc cao và giám sát nồng độ dung dịch glucose.

Chapter 6: Future Work – Optical Imaging and Characterization of Cancer Cells using Spectral Domain Optical Coherence Tomography for Early Cancer Diagnosis

Tác giả đề xuất định hướng phát triển hệ thống OCT miền phổ (SD-OCT) phục vụ chẩn đoán sớm tế bào ung thư thông qua hai chế độ hoạt động:

  1. Chế độ 1 - OCT nguồn quét ghép kênh không gian (Spatially Multiplexed Swept Source OCT - SMSS-OCT):
    • Nguyên lý: Ghép kênh quét độ sâu lớn thành các lát cắt B-scan liền kề theo phương ngang nhằm tăng tốc độ thu nhận hình ảnh và tối ưu hóa trường quan sát.
    • Thử nghiệm sơ bộ trên lam kính hiển vi (độ dày $100\ \mu\text{m}$, chiết suất $n = 1,5$).
  2. Chế độ 2 - OCT quang phổ (Spectroscopic OCT):
    • Phân tích sự biến thiên pha quang phổ bậc cao của mô và tế bào ung thư để trích xuất dấu hiệu tán sắc đặc thù, hỗ trợ phân biệt mô bệnh lý và mô lành ở giai đoạn sớm.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật

LĨNH VỰC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN
Đóng góp lý thuyết & phương pháp - Đề xuất phương pháp chuyển đổi thông tin tán sắc sắc sai thành thông số nhận diện và phân tích cấu trúc vật liệu sinh học.
- Xây dựng quy trình xử lý tín hiệu kết hợp biến đổi Hilbert, biến đổi Fourier không đều (NUFT), phân tích chu kỳ đồ Lomb-Scargle và khớp đa thức bậc 5 để trích xuất pha quang phổ bậc cao.
Đóng góp phần cứng & thực nghiệm - Thiết kế và thử nghiệm thành công hệ thống kiểm soát tán sắc 4-f tích hợp SLM-128 điều khiển số 12-bit trong OCT miền thời gian.
- Phát triển phương pháp hiệu chuẩn SLM bằng DPOCT sợi quang hai kênh phân cực, đạt độ chính xác pha $0,05\text{ rad}$ ($\sim 5\text{ nm}$), khử triệt để nhiễu mode chung.
- Xây dựng giao thoa kế quang phổ đường dẫn chung có khả năng đo lường nồng độ dung dịch glucose với độ nhạy cao ở dải dưới milimol ($0 - 5\text{ mM}$).

Đề xuất giải pháp và ứng dụng thực tiễn

  • Đề xuất ứng dụng bộ điều khiển tán sắc khả trình SLM để bù trừ tán sắc tự động cho các hệ thống chụp ảnh OCT độ phân giải cao khi làm việc với các mẫu mô sinh học có độ dày và tính chất quang học không đồng nhất.
  • Đề xuất kỹ thuật đo pha giao thoa quang phổ đường dẫn chung làm công cụ đo lường không xâm lấn hoặc ít xâm lấn nồng độ glucose và các thành phần hóa sinh trong dịch cơ thể.
  • Kiến nghị mô hình SMSS-OCT và Spectroscopic OCT như một giải pháp kỹ thuật mới nhằm phát hiện sớm các biến đổi cấu trúc và chiết suất của tế bào ung thư.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được đề cập trong văn bản

  • Dải phổ của các phép đo thực nghiệm bị giới hạn bởi nguồn phát laser (như dải $832 - 874\text{ nm}$ của laser Ti:Sapphire trong thí nghiệm đo tán sắc nước).
  • Dải điều khiển pha tuyến tính của SLM bị giới hạn (12 rad), đòi hỏi phải áp dụng kỹ thuật cuộn pha (phase wrapping) khi độ lệch pha vượt quá ngưỡng giới hạn.
  • Xuất hiện một số điểm dữ liệu sai lệch trong mô phỏng ở độ sâu từ $1300$ đến $1450\ \mu\text{m}$, được tác giả giải thích là do việc lựa chọn dải bước sóng phân tích pha chưa tối ưu.
  • Hiện tượng lấy mẫu tần số quang học không đồng đều của nguồn laser quét đòi hỏi phải sử dụng các giải thuật biến đổi phức tạp (NUFT) làm tăng khối lượng tính toán.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Hoàn thiện và thử nghiệm thực tế hệ thống SMSS-OCT để tăng tốc độ ghi hình cắt lớp tế bào.
  • Ứng dụng hệ thống OCT quang phổ (Spectroscopic OCT) để khảo sát đặc tính tán sắc và biến thiên chiết suất bậc cao trực tiếp trên các dòng tế bào ung thư nhằm phục vụ chẩn đoán sớm.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Quang học và Quang tử sinh học: Cung cấp chi tiết thiết kế phần cứng quang học (hệ 4-f, DPOCT, common-path interferometer) và kỹ thuật căn chỉnh các hệ thống giao thoa kế sợi quang duy trì phân cực (Chương 2, Chương 3).
  • Các kỹ sư xử lý tín hiệu y sinh: Tham khảo các thuật toán xử lý tín hiệu giao thoa, biến đổi Hilbert tạo tín hiệu giải tích, biến đổi Fourier không đều (NUFT), chu kỳ đồ Lomb-Scargle và giải thuật phân tích pha đa thức bậc cao (Chương 2, Chương 4).
  • Nhà phát triển thiết bị y tế và cảm biến sinh học: Cung cấp phương pháp đo nồng độ glucose dung dịch có độ nhạy cao và định hướng phát triển thiết bị chẩn đoán ung thư bằng quang phổ OCT (Chương 4, Chương 6).

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống kiểm soát tán sắc 4-f trong luận án có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?

Hệ thống gồm một bộ điều chế ánh sáng không gian (SLM-128), hai thấu kính tiêu sắc bộ ba ($f = 50,8\text{ mm}$) và hai cách xạ nhiễu xạ ($G = 830\text{ rãnh/mm}$) bố trí theo cấu hình 4-f. Ánh sáng đi vào bị cách xạ thứ nhất tán sắc theo phương ngang, qua thấu kính thứ nhất để hội tụ lên mặt phẳng Fourier nơi đặt SLM. Tại đây, mỗi bước sóng rơi vào một pixel riêng biệt ($100\ \mu\text{m} \times 2\text{ mm}$). Điện áp 12-bit nạp vào từng pixel sẽ điều chỉnh chiết suất cục bộ để tạo độ trễ pha bù trừ. Ánh sáng sau đó qua thấu kính thứ hai và cách xạ thứ hai để chuẩn trực lại thành chùm tia ban đầu.

2. Tại sao kỹ thuật DPOCT lại đạt được độ chính xác đo pha cao khi hiệu chuẩn SLM?

DPOCT sử dụng sợi quang duy trì phân cực (PM Panda) và lăng kính Wollaston để tách chùm tia thành hai trạng thái phân cực trực giao (trục E và trục O) truyền đồng thời qua hệ thống. Chùm tia trục E phản xạ từ mặt trước tinh thể lỏng, trong khi chùm tia trục O truyền qua tinh thể lỏng và phản xạ từ mặt sau. Do cả hai chùm tia cùng trải qua các tác động cơ học và nhiệt độ từ môi trường, phép đo pha vi phân giữa hai kênh sẽ triệt tiêu hoàn toàn các nhiễu pha mode chung (common-mode phase noise), giúp hệ thống đạt độ chính xác pha $0,05\text{ rad}$ ($\sim 5\text{ nm}$).

3. Kết quả đo độ dịch pha do tán sắc của nước 1 mm giữa thực nghiệm và mô phỏng sai lệch bao nhiêu?

Trong dải bước sóng từ $835\text{ nm}$ đến $870\text{ nm}$ trên quãng đường truyền kép, độ dịch pha thực nghiệm đo được qua mẫu nước 1 mm là $25,42\text{ rad}$, trong khi kết quả mô phỏng số dựa trên chiết suất chuẩn của Bertie & Lan là $24,90\text{ rad}$. Độ chênh lệch giữa thực nghiệm và mô phỏng là $0,52\text{ rad}$ trên dải $42\text{ nm}$, tương ứng với mức sai số khoảng 2%. Hằng số tỷ lệ giữa dịch pha và độ sâu mẫu nước là $24,89\text{ rad/mm}$.

4. Phương pháp giao thoa quang phổ đường dẫn chung khảo sát nồng độ glucose trong những dải nào?

Hệ thống khảo sát nồng độ dung dịch glucose trong hai dải: dải hẹp $0 - 5\text{ mM}$ với bước tăng $1\text{ mM}$ và dải rộng $0 - 50\text{ mM}$ với bước tăng $5\text{ mM}$. Mỗi giá trị nồng độ được đo lặp lại 20 lần để xác định giá trị trung bình và độ lệch chuẩn, chứng minh khả năng đo lường nồng độ chất tan sinh hóa với độ nhạy cao.

5. Hai chế độ vận hành được đề xuất trong hướng nghiên cứu tương lai cho chẩn đoán ung thư là gì?

Hai chế độ gồm: (1) SMSS-OCT (Spatially Multiplexed Swept Source OCT) - chuyển đổi khoảng quét độ sâu dài thành các lát cắt B-scan liền kề theo phương ngang để tăng tốc độ ghi hình; (2) Spectroscopic OCT (OCT quang phổ) - phân tích sự biến thiên pha quang phổ bậc cao để trích xuất đặc tính tán sắc và chiết suất vi mô của tế bào ung thư phục vụ chẩn đoán bệnh lý sớm.


Kết luận

Luận án tiến sĩ của Sanghoon Oh đã nghiên cứu toàn diện hiện tượng tán sắc trong các hệ thống chụp ảnh quang học y sinh trên cả hai miền thời gian và miền phổ. Tác giả đã thiết kế thành công hệ thống phần cứng kiểm soát tán sắc 4-f dùng SLM, phát triển phương pháp hiệu chuẩn SLM chính xác cao bằng DPOCT và xây dựng giao thoa kế quang phổ đường dẫn chung kết hợp giải thuật NUFT để đo chiết suất bậc cao. Các kết quả thực nghiệm trên nước và dung dịch glucose khẳng định tính khả thi của việc sử dụng thông tin tán sắc như một công cụ định lượng thành phần sinh hóa và mở ra hướng ứng dụng trong chẩn đoán sớm ung thư.