Self-mixing interferometry techniques for biophotonic applications in flow sensing

Abstract

(English) In this doctoral thesis, significant strides have been made in the realm of biofluid flow sensing through the innovative integration of Self-Mixing Interferometry (SMI) with confocal microscopy principles, resulting in a revolutionary technology known as Confocal Self-Mixing Interferometry (CSMI). This groundbreaking approach addresses the critical need for accurate, real-time, non-invasive, and cost-effective methods for evaluating biofluid dynamics within the human body.

CSMI demonstrates its exceptional ability to distinguish flow rates across various sample depths within a laboratory setting, opening doors multifaceted applications across diverse domains.

By employing a highly scattering fluid simulating blood, the system successfully measured flow rates ranging from 0.2 to 1.6mL/min within microcapillaries. Importantly, it achieved a maximum velocity measurement of approximately 307 mm/s, well within the range of average maximum blood flow velocities in human vessels. The confocal measurements exhibited clear Doppler frequency peaks at the microcapillary center across all pumping rate values, overcoming the limitations faced by non-confocal measurements for higher flow rates.

This research produced results that provide insight into depth sectioning. A two-step process, involving lateral scanning and depth sectioning, was employed to reconstruct the velocity profile of the entire microcapillary at a pumping rate of 0.5 mL/min. While some challenges were encountered near the microcapillary walls due to low-frequency interference, the study effectively established the alignment of theoretical Hagen-Poiseuille profiles with CSMI measurements, validating the system's capabilities.

Moreover, this research presents a significant achievement in terms of Signal-to-Noise Ratio (SNR) improvement. By implementing a stationary reflector in a secondary optical path, it was possible to maintain an adequate SNR in SMI configurations with reduced optical output power. This advancement holds promising applications in non-invasive measurements of individual living cells, microorganisms, or micro-particles, spanning various fields, including medicine, entomology, botany, cytopathology, and other health sciences.

This research reaffirms the potential of CSMI as a transformative tool for diagnosing and forecasting diseases associated with abnormalities in bodily fluids. It not only excels in intrinsically-induced disruptions in blood flow, such as angiogenesis and thrombosis, but also in scenarios involving extrinsic factors like traumas and burns. The versatility of this technology can be extended to cell biology applications and point-of-care (PoC) analysis.

(Català) En aquesta tesi doctoral, s'han fet passos significatius en el camp de la detecció del flux de biofluids mitjançant la innovadora integració de l'Interferometria d'Auto-Mescla (SMI) amb els principis de la microscòpia confocal, amb l'objectiu de desenvolupar una tecnologia revolucionària coneguda com Interferometria d'Auto-Mescla Confocal (CSMI). Aquest enfocament innovador aborda la necessitat crítica de mètodes precisos, en temps real, no invasius i econòmics per avaluar la dinàmica dels biofluids dins del cos humà.

CSMI demostra la seva capacitat excepcional per distingir taxes de flux en diferents profunditats de mostra en un entorn de laboratori, obrint portes a aplicacions multifacètiques en diversos camps.

Mitjançant l'ús d'un fluid altament dispersant que simula la sang, el sistema va mesurar amb èxit taxes de flux que van des de 0.2 fins a 1.6 mL/min dins de microcapilꞏlars. És important destacar que es va aconseguir mesurar una velocitat màxima d'aproximadament 307 mm/s, que es troba dins del rang de velocitats de flux sanguini màximes mitjana dins dels vasos humans. Les mesuraments confocals van exhibir clars pics de freqüència Doppler en el centre del microcapilꞏlar en tots els valors de velocitat de bombament, superant les limitacions dels mesuraments no confocals per a taxes de flux més altes.

Aquesta recerca va produir resultats que proporcionen informació sobre la secció de profunditat. Es va emprar un procés de dos passos, que implica un escaneig lateral i una secció de profunditat, per reconstruir el perfil de velocitat de tot el microcapilꞏlar a una velocitat de bombament de 0.5 mL/min. Tot i que es van enfrontar alguns desafiaments a prop de les parets del microcapilꞏlar a causa d'interferències de baixa freqüència, l'estudi va establir de manera efectiva l'alineació de perfils teòrics de Hagen-Poiseuille amb les mesuraments de CSMI, validant les capacitats del sistema.

A més, en aquesta investigació es destaca un avenç significatiu en termes de millora de la Relació Senyal-Soroll (SNR). Mitjançant la incorporació d'un reflector estacionari en una trajectòria òptica secundària, es va poder mantenir una SNR adequada en configuracions de SMI amb una potència òptica de sortida reduïda. Aquest avenç té aplicacions prometedores en la mesura no invasiva de cèlꞏlules vives individuals, microorganismes o micro-partícules, abastant diversos camps, incloent-hi la medicina, l'entomologia, la botànica, la cito patologia i altres ciències de la salut.

Aquesta recerca reafirma el potencial de CSMI com una eina transformadora per diagnosticar i predir malalties relacionades amb anomalies en els biofluids. No només destaca en interrupcions induïdes intrínsecament en el flux sanguini, com la angiogènesi i la trombosi, sinó també en escenaris que involucren factors extrínsecs com traumes i cremades. La versatilitat daquesta tecnologia es pot estendre a aplicacions en biologia celꞏlular i anàlisi en el punt d'atenció (PoC).

(Español) En esta tesis doctoral se han logrado avances significativos en el campo de la detección del flujo de biofluidos mediante la innovadora integración de la Interferometría de Auto-Mezcla (SMI) con los principios de la microscopía confocal, lo que resulta en una tecnología revolucionaria conocida como Interferometría de Auto-Mezcla Confocal (CSMI). Este enfoque innovador aborda la necesidad crítica de métodos precisos, en tiempo real, no invasivos y rentables para evaluar la dinámica de los biofluidos dentro del cuerpo humano.

CSMI demuestra la capacidad excepcional para distinguir tasas de flujo en diferentes profundidades de muestra en un entorno de laboratorio, abriendo puertas a aplicaciones multifacéticas en diversos campos.

Al emplear un fluido altamente dispersante que simula la sangre, el sistema midió con éxito tasas de flujo que van desde 0.2 hasta 1.6 mL/min dentro de microcapilares. Es importante destacar que se logró medir una velocidad máxima de aproximadamente 307mm/s, que se encuentra dentro del rango de velocidades de flujo sanguíneo máxima promedio en los vasos humanos. Las mediciones confocales exhibieron claros picos de frecuencia Doppler en el centro del microcapilar en todos los valores de velocidad de bombeo, superando las limitaciones de las mediciones no confocales para tasas de flujo más altas.

Además, la investigación produjo resultados que brindan información sobre la sección de profundidad. Se empleó un proceso de dos pasos, que involucra un escaneo lateral y una sección de profundidad, para reconstruir el perfil de velocidad de todo el microcapilar a una velocidad de bombeo de 0.5 mL/min. Aunque se enfrentaron algunos desafíos cerca de las paredes del microcapilar debido a interferencias de baja frecuencia, el estudio estableció de manera efectiva la alineación de perfiles teóricos de Hagen-Poiseuille con las mediciones de CSMI, validando las capacidades del sistema. Además, en esta investigación se destaca también un logro significativo en términos de mejora de la Relación Señal-Ruido (SNR).

Al implementar un reflector estacionario en una trayectoria óptica secundaria, fue posible mantener una SNR adecuada en configuraciones de SMI con una potencia óptica de salida reducida. Este avance tiene aplicaciones prometedoras en la medición no invasiva de células vivas individuales, microorganismos o micro partículas, abarcando diversos campos, incluyendo medicina, entomología, botánica, cito patología y otras ciencias de la salud.

Esta investigación reafirma el potencial de CSMI como una herramienta transformadora para diagnosticar y predecir enfermedades relacionadas con anomalías en los biofluidos. No solo destaca en interrupciones inducidas intrínsecamente en el flujo sanguíneo, como la angiogénesis y la trombosis, sino también en escenarios que involucran factores extrínsecos como traumas y quemaduras. La versatilidad de esta tecnología se puede extender a aplicaciones de biología celular y análisis en el punto de atención (PoC).