Development of a compressive sensing Raman spectrometer for melanoma diagnosis

Abstract

Raman spectroscopy (RS) is a highly-sensitive, non-invasive optical technique that allows the moni-toring of biospecimens present in tissue samples, revealing disease-prompted variations and henceallowing to differentiate healthy from malignant samples. However, this technique shows a limitationassociated with fluorescence-induced signal overshadow when performed on pigmented tissues with alaser in the visible wavelength region. This limitation has been overcome by the use of very expensivedetectors and associated cooling systems which make the instrument expensive, heavy and overall notsuited for clinical applications. The purpose of this thesis is the initial development of a new Ramanspectrometer, proposed by the project NeedfoRSpeed, which applies the concept of compressivesensing based on spatial light modulators (digital micromirror device) and single-pixel detection(photodiode), as well detection shift to the high wavenumber region (HWVN), in order to discard theneed for expensive detectors and external cooling systems, resulting in higher acquisition speeds andlower production costs.In this work, the initial assembly and alignment of the collection branch and the spectrograph ofthe Raman spectrometer has been accomplished, in addition to the successful development of softwaresource codes required for the operation of the spatial light modulator (a digital micromirror device)and the acquisition system. Several spectra were also analyzed in order to prove the efficiency andfunctionality of the proposed optical components in the wavelength region of interest.

ResumoA espectroscopia de Raman (ER) é uma técnica ótica altamente sensível e não invasiva que permitea monitorização da amostra, revelando variações moleculares que permitem diferenciar tecidossaudáveis de tecidos malignos. No entanto, esta técnica demonstra limitações associadas à presença defluorescência em tecidos pigmentados quando estes são excitados por lasers na zona de comprimentosde onda vísivel. Atualmente, esta limitação é superada pela utilização de detetores caros associados asistemas externos de refrigeração, tornando o instrumento caro e pesado e, consequentemente, nãoadequado para aplicações clínicas. O objetivo desta tese é o desenvolvimento inicial de um novoespetrómetro de Raman, proposto pelo projeto NeedfoRSpeed, que pretende aplicar o conceito de"compressive sensing" baseado num modulador espacial de luz ("digital micromirror device") e numdetetor "single-pixel" (fotodíodo), assim como mudança na zona de deteção para a região de númerosde onda elevados (HWVN), de modo a descartar a necessidade de detetores caros e sistemas derefrigeração externos e resultando em maiores velocidades de aquisição e custos de produção maisbaixos.Neste trabalho foi realizada a montagem inicial e alinhamento do "ramo de coleção" e do espetró-grafo, assim como o desenvolvimento de códigos computacionais necessários para o funcionamentodo modulador espacial de luz e do sistema de aquisição. Vários espetros foram obtidos e analisa-dos de modo a provar a eficiência e funcionalidade dos componentes óticos propostos na região decomprimentos de onda de interesse.