Abstract

A novel parallel source implementation approach to near-infrared tomography is demonstrated through spectral encoding of the light delivery. This new technique allows many sources to be input into the tissue at the same time, and a high-resolution spectrometer is used to spatially spread out the signals from each spectrally encoded source. The parallel sampling of all sources at all detection locations renders rapid imaging. Acquisition of complete tomographic data sets at a video rate of 35  framess is achieved for imaging of a 6.35 mm diameter inclusion with an absorption coefficient of 0.01mm1 and a reduced scattering coefficient of 1.5mm1 that is moving along a circular path inside a 1% Intralipid solution.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. B. Chance, Q. Luo, S. Nioka, D. C. Alsop, and J. A. Detre, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 352, 707 (1997).
    [CrossRef]
  2. M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
    [CrossRef]
  3. B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
    [CrossRef]
  4. B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. C. Nolte, M. Kohl, U. Scholz, M. Weih, and A. Villringer, Adv. Exp. Med. Biol. 454, 115 (1998).
    [CrossRef]
  6. C. H. Schmitz, M. Löcker, J. M. Lasker, A. H. Hielscher, and R. L. Barbour, Rev. Sci. Instrum. 73, 429 (2002).
    [CrossRef]
  7. S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. H. Dehghani, B. Brooksby, K. Vishwanath, B. W. Pogue, and K. D. Paulsen, Phys. Med. Biol. 48, 2713 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. Interested readers are directed to the following URL for examples of the reconstructed images: http://www-nml.thayer.dartmouth.edu/nir/downloads/Rubber_ball_movie_35fps_001.avi.
  10. Y. Pei, H. L. Graber, and R. L. Barbour, in Proc. SPIE 4955, 236 (2003).
    [CrossRef]

2003 (2)

H. Dehghani, B. Brooksby, K. Vishwanath, B. W. Pogue, and K. D. Paulsen, Phys. Med. Biol. 48, 2713 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Y. Pei, H. L. Graber, and R. L. Barbour, in Proc. SPIE 4955, 236 (2003).
[CrossRef]

2002 (1)

C. H. Schmitz, M. Löcker, J. M. Lasker, A. H. Hielscher, and R. L. Barbour, Rev. Sci. Instrum. 73, 429 (2002).
[CrossRef]

2001 (1)

B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

1998 (1)

C. Nolte, M. Kohl, U. Scholz, M. Weih, and A. Villringer, Adv. Exp. Med. Biol. 454, 115 (1998).
[CrossRef]

1997 (3)

B. Chance, Q. Luo, S. Nioka, D. C. Alsop, and J. A. Detre, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 352, 707 (1997).
[CrossRef]

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

1996 (1)

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Alsop, D. C.

B. Chance, Q. Luo, S. Nioka, D. C. Alsop, and J. A. Detre, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 352, 707 (1997).
[CrossRef]

Anderson, E. R.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Barbour, R. L.

Y. Pei, H. L. Graber, and R. L. Barbour, in Proc. SPIE 4955, 236 (2003).
[CrossRef]

C. H. Schmitz, M. Löcker, J. M. Lasker, A. H. Hielscher, and R. L. Barbour, Rev. Sci. Instrum. 73, 429 (2002).
[CrossRef]

Brooksby, B.

H. Dehghani, B. Brooksby, K. Vishwanath, B. W. Pogue, and K. D. Paulsen, Phys. Med. Biol. 48, 2713 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Butler, J.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Cahn, M.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Chance, B.

B. Chance, Q. Luo, S. Nioka, D. C. Alsop, and J. A. Detre, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 352, 707 (1997).
[CrossRef]

Coquoz, O.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Dehghani, H.

H. Dehghani, B. Brooksby, K. Vishwanath, B. W. Pogue, and K. D. Paulsen, Phys. Med. Biol. 48, 2713 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Detre, J. A.

B. Chance, Q. Luo, S. Nioka, D. C. Alsop, and J. A. Detre, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 352, 707 (1997).
[CrossRef]

Fantini, S.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Fishkin, J. B.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Franceschini, M. A.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Gaida, G.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Graber, H. L.

Y. Pei, H. L. Graber, and R. L. Barbour, in Proc. SPIE 4955, 236 (2003).
[CrossRef]

Gratton, E.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Gross, J. D.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Hielscher, A. H.

C. H. Schmitz, M. Löcker, J. M. Lasker, A. H. Hielscher, and R. L. Barbour, Rev. Sci. Instrum. 73, 429 (2002).
[CrossRef]

Jess, H.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Kaschke, M.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Kohl, M.

C. Nolte, M. Kohl, U. Scholz, M. Weih, and A. Villringer, Adv. Exp. Med. Biol. 454, 115 (1998).
[CrossRef]

Lasker, J. M.

C. H. Schmitz, M. Löcker, J. M. Lasker, A. H. Hielscher, and R. L. Barbour, Rev. Sci. Instrum. 73, 429 (2002).
[CrossRef]

Löcker, M.

C. H. Schmitz, M. Löcker, J. M. Lasker, A. H. Hielscher, and R. L. Barbour, Rev. Sci. Instrum. 73, 429 (2002).
[CrossRef]

Luo, Q.

B. Chance, Q. Luo, S. Nioka, D. C. Alsop, and J. A. Detre, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 352, 707 (1997).
[CrossRef]

Mantulin, W. W.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

McBride, T. O.

B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Moesta, K. T.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Nioka, S.

B. Chance, Q. Luo, S. Nioka, D. C. Alsop, and J. A. Detre, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 352, 707 (1997).
[CrossRef]

Nolte, C.

C. Nolte, M. Kohl, U. Scholz, M. Weih, and A. Villringer, Adv. Exp. Med. Biol. 454, 115 (1998).
[CrossRef]

Osterberg, U. L.

B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Osterman, K. S.

B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Paulsen, K. D.

H. Dehghani, B. Brooksby, K. Vishwanath, B. W. Pogue, and K. D. Paulsen, Phys. Med. Biol. 48, 2713 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Pei, Y.

Y. Pei, H. L. Graber, and R. L. Barbour, in Proc. SPIE 4955, 236 (2003).
[CrossRef]

Pham, D.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Pham, T.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Pogue, B. W.

H. Dehghani, B. Brooksby, K. Vishwanath, B. W. Pogue, and K. D. Paulsen, Phys. Med. Biol. 48, 2713 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Poplack, S. P.

B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Schlag, P. M.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Schmitz, C. H.

C. H. Schmitz, M. Löcker, J. M. Lasker, A. H. Hielscher, and R. L. Barbour, Rev. Sci. Instrum. 73, 429 (2002).
[CrossRef]

Scholz, U.

C. Nolte, M. Kohl, U. Scholz, M. Weih, and A. Villringer, Adv. Exp. Med. Biol. 454, 115 (1998).
[CrossRef]

Seeber, M.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

Tromberg, B. J.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Venugopalan, V.

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Villringer, A.

C. Nolte, M. Kohl, U. Scholz, M. Weih, and A. Villringer, Adv. Exp. Med. Biol. 454, 115 (1998).
[CrossRef]

Vishwanath, K.

H. Dehghani, B. Brooksby, K. Vishwanath, B. W. Pogue, and K. D. Paulsen, Phys. Med. Biol. 48, 2713 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Weih, M.

C. Nolte, M. Kohl, U. Scholz, M. Weih, and A. Villringer, Adv. Exp. Med. Biol. 454, 115 (1998).
[CrossRef]

Wells, W. A.

B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Adv. Exp. Med. Biol. (1)

C. Nolte, M. Kohl, U. Scholz, M. Weih, and A. Villringer, Adv. Exp. Med. Biol. 454, 115 (1998).
[CrossRef]

Med. Phys. (1)

S. Fantini, M. A. Franceschini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, K. T. Moesta, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Med. Phys. 23, 149 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B (1)

B. J. Tromberg, O. Coquoz, J. B. Fishkin, T. Pham, E. R. Anderson, J. Butler, M. Cahn, J. D. Gross, V. Venugopalan, and D. Pham, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 352, 661 (1997).
[CrossRef]

Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B (1)

B. Chance, Q. Luo, S. Nioka, D. C. Alsop, and J. A. Detre, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 352, 707 (1997).
[CrossRef]

Phys. Med. Biol. (1)

H. Dehghani, B. Brooksby, K. Vishwanath, B. W. Pogue, and K. D. Paulsen, Phys. Med. Biol. 48, 2713 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (1)

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, G. Gaida, E. Gratton, H. Jess, W. W. Mantulin, M. Seeber, P. M. Schlag, and M. Kaschke, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

Proc. SPIE (1)

Y. Pei, H. L. Graber, and R. L. Barbour, in Proc. SPIE 4955, 236 (2003).
[CrossRef]

Radiology (1)

B. W. Pogue, S. P. Poplack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osterberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Rev. Sci. Instrum. (1)

C. H. Schmitz, M. Löcker, J. M. Lasker, A. H. Hielscher, and R. L. Barbour, Rev. Sci. Instrum. 73, 429 (2002).
[CrossRef]

Other (1)

Interested readers are directed to the following URL for examples of the reconstructed images: http://www-nml.thayer.dartmouth.edu/nir/downloads/Rubber_ball_movie_35fps_001.avi.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic diagram of the NIR tomography system by spectrally encoded parallel source delivery. The inset shows the photograph in which the bottom level on the cart is the power supply unit and computer, the middle level is the 8-channel LD source unit, and the top level is the detector unit consisting of an imaging fiber array, a spectrometer, and a CCD that are all enclosed in a light-tight hood.

Fig. 2
Fig. 2

(a) Emission profile of eight spectrally encoded LDs. (b) One frame of the acquired 2D data from the CCD. Markers S1–S8 at the top stand for sources 1–8, and markers D1–D8 on the right side indicate detection fibers 1–8. The label Ref at the right represents the reference sampling from all sources. Note that the gray scale has been set to show low-intensity signals, and thus the highest intensity signal shows up as saturated but actually is not.

Fig. 3
Fig. 3

Example of the images taken with a frame rate of 35 Hz. The four images in the top row are the frame series of 1, 6, 11, and 16, and the four images in the bottom row are the frame series of 21, 26, 31, and 36. The number at the top of each image shows the timing of each frame relative to the first one. Since the cylinder phantom immersed in the background Intralipid solution is revolving at a speed of slightly higher than 1 revolution per second, 35 consecutive frames should cover a complete revolution of the moving object. The true value of the absorption coefficient of the phantom is 0.01 mm 1 .

Metrics