Abstract

A dark-field geometry spectral imaging system is presented to raster scan thick tissue samples in situ in 1.5cm square sections, recovering full spectra from each 100μm diameter pixel. This spot size provides adequate resolution for wide field scanning, while also facilitating scatter imaging without requiring sophisticated light–tissue transport modeling. The system is demonstrated showing accurate estimation of localized scatter parameters and the potential to recover absorption-based contrast from broadband reflectance data measured from 480nm up to 750nm in tissue phantoms. Results obtained from xenograft pancreas tumors show the ability to quantitatively image changes in localized scatter response in this fast-imaging geometry. The polychromatic raster scan design allows the rapid scanning necessary for use in surgical/clinical applications where timely decisions are required about tissue pathology.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
    [CrossRef]
  2. J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
    [CrossRef]
  3. A. Myakov, L. Nieman, L. Wicky, U. Utzinger, R. Richards-Kortum, and K. Sokolov, J. Biomed. Opt. 7, 388 (2002).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. M. Chandra, J. Scheiman, D. Heidt, D. Simeone, B. McKenna, and M.-A. Mycek, J. Biomed. Opt. 12, 060501(2007).
    [CrossRef]
  5. V. Krishnaswamy, P. J. Hoopes, K. S. Samkoe, J. A. O’Hara, T. Hasan, and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 14, 014004(2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. T. M. Bydlon, S. A. Kennedy, L. M. Richards, J. Brown, B. Yu, M. K. Junker, J. Gallagher, J. Geradts, L. G. Wilke, and N. Ramanujam, Opt. Express 18, 8058 (2010).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. S. C. Kanick, D. J. Robinson, H. J. C. M. Sterenborg, and A. Amelink, Phys. Med. Biol. 54, 6991 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]

2010 (2)

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

T. M. Bydlon, S. A. Kennedy, L. M. Richards, J. Brown, B. Yu, M. K. Junker, J. Gallagher, J. Geradts, L. G. Wilke, and N. Ramanujam, Opt. Express 18, 8058 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

2009 (4)

S. C. Kanick, D. J. Robinson, H. J. C. M. Sterenborg, and A. Amelink, Phys. Med. Biol. 54, 6991 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

V. Krishnaswamy, P. J. Hoopes, K. S. Samkoe, J. A. O’Hara, T. Hasan, and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 14, 014004(2009).
[CrossRef] [PubMed]

2007 (1)

M. Chandra, J. Scheiman, D. Heidt, D. Simeone, B. McKenna, and M.-A. Mycek, J. Biomed. Opt. 12, 060501(2007).
[CrossRef]

2002 (1)

A. Myakov, L. Nieman, L. Wicky, U. Utzinger, R. Richards-Kortum, and K. Sokolov, J. Biomed. Opt. 7, 388 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Amelink, A.

S. C. Kanick, D. J. Robinson, H. J. C. M. Sterenborg, and A. Amelink, Phys. Med. Biol. 54, 6991 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Austwick, M. R.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Bigio, I. J.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Bocklage, T. J.

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

Bown, S. G.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Breslin, T. M.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Brown, J.

Bydlon, T. M.

Calabro, K. W.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Chandra, M.

M. Chandra, J. Scheiman, D. Heidt, D. Simeone, B. McKenna, and M.-A. Mycek, J. Biomed. Opt. 12, 060501(2007).
[CrossRef]

Chang, A. E.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Chicken, D. W.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Cimmino, V. M.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Clark, B.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Diehl, K. A.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Dorin, M. H.

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

Falzon, M.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Fearn, T.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Gallagher, J.

Geradts, J.

Greene, H. M.

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

Griffith, K.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Hasan, T.

V. Krishnaswamy, P. J. Hoopes, K. S. Samkoe, J. A. O’Hara, T. Hasan, and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 14, 014004(2009).
[CrossRef] [PubMed]

Heidt, D.

M. Chandra, J. Scheiman, D. Heidt, D. Simeone, B. McKenna, and M.-A. Mycek, J. Biomed. Opt. 12, 060501(2007).
[CrossRef]

Hoopes, P. J.

V. Krishnaswamy, P. J. Hoopes, K. S. Samkoe, J. A. O’Hara, T. Hasan, and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 14, 014004(2009).
[CrossRef] [PubMed]

Jagsi, R.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Johnson, K.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Junker, M. K.

Kanick, S. C.

S. C. Kanick, D. J. Robinson, H. J. C. M. Sterenborg, and A. Amelink, Phys. Med. Biol. 54, 6991 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Kennedy, S. A.

Keshtgar, M. R. S.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Kleer, C. G.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Kocjan, G.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Krishnaswamy, V.

V. Krishnaswamy, P. J. Hoopes, K. S. Samkoe, J. A. O’Hara, T. Hasan, and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 14, 014004(2009).
[CrossRef] [PubMed]

McKenna, B.

M. Chandra, J. Scheiman, D. Heidt, D. Simeone, B. McKenna, and M.-A. Mycek, J. Biomed. Opt. 12, 060501(2007).
[CrossRef]

Mosse, C. A.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Mourant, J. R.

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

Myakov, A.

A. Myakov, L. Nieman, L. Wicky, U. Utzinger, R. Richards-Kortum, and K. Sokolov, J. Biomed. Opt. 7, 388 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Mycek, M.-A.

M. Chandra, J. Scheiman, D. Heidt, D. Simeone, B. McKenna, and M.-A. Mycek, J. Biomed. Opt. 12, 060501(2007).
[CrossRef]

Newman, L. A.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Nieman, L.

A. Myakov, L. Nieman, L. Wicky, U. Utzinger, R. Richards-Kortum, and K. Sokolov, J. Biomed. Opt. 7, 388 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

O’Hara, J. A.

V. Krishnaswamy, P. J. Hoopes, K. S. Samkoe, J. A. O’Hara, T. Hasan, and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 14, 014004(2009).
[CrossRef] [PubMed]

Pogue, B. W.

V. Krishnaswamy, P. J. Hoopes, K. S. Samkoe, J. A. O’Hara, T. Hasan, and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 14, 014004(2009).
[CrossRef] [PubMed]

Powers, T. M.

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

Ramanujam, N.

Richards, L. M.

Richards-Kortum, R.

A. Myakov, L. Nieman, L. Wicky, U. Utzinger, R. Richards-Kortum, and K. Sokolov, J. Biomed. Opt. 7, 388 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Robinson, D. J.

S. C. Kanick, D. J. Robinson, H. J. C. M. Sterenborg, and A. Amelink, Phys. Med. Biol. 54, 6991 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Rogers, K.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Sabel, M. S.

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Samkoe, K. S.

V. Krishnaswamy, P. J. Hoopes, K. S. Samkoe, J. A. O’Hara, T. Hasan, and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 14, 014004(2009).
[CrossRef] [PubMed]

Scheiman, J.

M. Chandra, J. Scheiman, D. Heidt, D. Simeone, B. McKenna, and M.-A. Mycek, J. Biomed. Opt. 12, 060501(2007).
[CrossRef]

Simeone, D.

M. Chandra, J. Scheiman, D. Heidt, D. Simeone, B. McKenna, and M.-A. Mycek, J. Biomed. Opt. 12, 060501(2007).
[CrossRef]

Smith, H. O.

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

Sokolov, K.

A. Myakov, L. Nieman, L. Wicky, U. Utzinger, R. Richards-Kortum, and K. Sokolov, J. Biomed. Opt. 7, 388 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Somasundaram, S. K.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Sterenborg, H. J. C. M.

S. C. Kanick, D. J. Robinson, H. J. C. M. Sterenborg, and A. Amelink, Phys. Med. Biol. 54, 6991 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Utzinger, U.

A. Myakov, L. Nieman, L. Wicky, U. Utzinger, R. Richards-Kortum, and K. Sokolov, J. Biomed. Opt. 7, 388 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Waxman, A. G.

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

Wicky, L.

A. Myakov, L. Nieman, L. Wicky, U. Utzinger, R. Richards-Kortum, and K. Sokolov, J. Biomed. Opt. 7, 388 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Wilke, L. G.

Yu, B.

Zhu, Y.

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Zsemlye, M. M.

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

J. Biomed. Opt. (4)

A. Myakov, L. Nieman, L. Wicky, U. Utzinger, R. Richards-Kortum, and K. Sokolov, J. Biomed. Opt. 7, 388 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

M. Chandra, J. Scheiman, D. Heidt, D. Simeone, B. McKenna, and M.-A. Mycek, J. Biomed. Opt. 12, 060501(2007).
[CrossRef]

V. Krishnaswamy, P. J. Hoopes, K. S. Samkoe, J. A. O’Hara, T. Hasan, and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 14, 014004(2009).
[CrossRef] [PubMed]

M. R. Austwick, B. Clark, C. A. Mosse, K. Johnson, D. W. Chicken, S. K. Somasundaram, K. W. Calabro, Y. Zhu, M. Falzon, G. Kocjan, T. Fearn, S. G. Bown, I. J. Bigio, and M. R. S. Keshtgar, J. Biomed. Opt. 15, 047001 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

J. Low. Genit. Tract. Dis. (1)

J. R. Mourant, T. J. Bocklage, T. M. Powers, H. M. Greene, M. H. Dorin, A. G. Waxman, M. M. Zsemlye, and H. O. Smith, J. Low. Genit. Tract. Dis. 13, 216 (2009).
[CrossRef]

J. Surg. Oncol. (1)

M. S. Sabel, A. E. Chang, L. A. Newman, K. Rogers, K. Griffith, R. Jagsi, C. G. Kleer, K. A. Diehl, T. M. Breslin, and V. M. Cimmino, J. Surg. Oncol. 99, 99 (2009).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Phys. Med. Biol. (1)

S. C. Kanick, D. J. Robinson, H. J. C. M. Sterenborg, and A. Amelink, Phys. Med. Biol. 54, 6991 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

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 (2)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Schematic of the prototype imaging system. The inset illustrates the dark-field illumination and collection geometry. (b) Photograph of the assembled prototype. (c) Three-dimensional shaded model of the full optical train modeled in ZEMAX optical design software. Different ray colors represent different field positions. (d) Full field spot diagrams shown at the center and extreme positions of a 1.5 cm 2 scan field at the sample plane. The solid circle measures 100 μm in diameter.

Fig. 2
Fig. 2

(a) Plot of average reflectance versus IntraLipid concentration showing a linear response. (b) Plots of spectral reflectance shown for different volume fractions of porcine blood (0.5%–4%) in 1% IntraLipid stock solution. Note that the spectral response remains approximately same in the > 610 nm spectral region, despite a large change in blood concentration. (c)–(e) Average reflectance, scatter amplitude, and scatter power images of a murine pancreatic tumor specimen [5]. The scan field measures 1 cm × 1 cm . (f) Photographic image of the tumor specimen. (g) Representative remission spectra from two different pixel locations. The solid line shows fits to the empirical reflectance model [5].

Metrics