Оптическая когерентная томография (ОКТ) презентация

Физический механизм действия оптической когерентной томографии подобен ультразвуковому исследованию, только для зондирования тканей пациента применяются не акустические волны, а инфракрасное излучение с длиной волны около 1 микрометра. Изменение задержки луча, отразившегося от исследуемой ткани, позволяет получить уникальные сведения о структуре тканей. Разрешающая способность современных оптических томографов дает офтальмологам возможность выявить патологии, не определяемые другими методами исследования. Особенно эффективен метод ОКТ при диагностике заболеваний сетчатой оболочки глаза (прежде всего области макулы) и зрительного нерва.
Оптическая когерентная томография (optical coherence tomography), или ОКТ (OCT)
Наиболее информативным методом неинвазивного исследования тканей глаза является оптическая когерентная томография (ОКТ).

Область применения ОКТ
Офтальмология
Гастроэнтерология
Кардиология
Урология
Дерматология
Стоматология
Материаловедение и пр.

Офтальмологи применяют оптическую когерентную томографию сетчатки для диагностики следующих недугов:
Макулярные разрывыледующих недугов:
Диабетическая ретинопатия
Глаукомав:
Тромбоз центральной вены сетчатки
Отслойка сечатки
Кистоидный макулярный отек
Эпиретинальная мембрана
Отек, атрофия и другие аномалии диска зрительного нерва
Пролиферативная витреоретинопатия
Дегенеративные изменения сетчатки (как генетических, так и приобретенных, включая ВМД - возрастную макулодистрофию):
Метод ОКТ сетчатки глаза также используют для оценки эффективности назначенного лечения в районе заднего отдела зрительного органа, с его помощью можно оценить угол передней камеры, а также качество работы дренажного устройства, которое назначают при глаукоме. Кроме того, томография глаза оценивает состояние роговицы при установке интраокулярных линз и интрастромальных колец и кератопластике.

До недавнего времени основой всех когерентных томографов был интерферометр Михельсона (time–domain OCT). Источником света в нем является суперлюминесцентный диод, позволяющий получать луч низкой когерентности. С помощью делителя световой пучок расщепляется на две равные части, одна из которых направляется на исследуемую структуру, вторая – на подвижное зеркало (опорное плечо). Исследователь путем смещения рабочей части прибора добивается того, чтобы расстояние до обоих объектов было одинаковым. После этого отраженные лучи суммируются, что вызывает эффект интерференции, регистрируемый фотодетектором.
Полученная амплитуда интерферировавшей световой волны характеризует отражающую способность конкретной точки исследуемого объекта. Затем опорное плечо смещается и выполняется исследование следующей точки. В итоге формируется одномерный А–скан (axial scan).

В системе ОСТ исследование структуры и элементов среды, находящихся на разных глубинах, осуществляется путем измерения функции взаимной корреляции отраженного и опорного сигнала от зеркала [Puliafito С., 1996].
Результаты применения методов интерферометрии малой когерентности для восстановления трехмерной структуры рассеивающих сред в медицине были опубликованы в 1991 г. Исследования проводились в Массачусеттском технологическом институте (Кембридж, США). В 1996 г. фирмой Carl Zeiss, Inc. (Hamphrey Instruments, Дублин, США) была создана первая серийная система ОКТ, предназначенная для офтальмологической диагностики глаукомы методом прямого наблюдения состояния зрительного нерва и сетчатки глаза.
интерферометр Михельсона

Кармен Пулиафито
1995 году
Декан, Keck School of Medicine,
University of Southern California
Впервые использовать концепцию оптической когерентной томографии в офтальмологии предложил американcкий ученый-офтальмолог Кармен Пулиафито в 1995 году. Позже, в 1996-1997 гг., первый прибор был внедрен в клиническую практику фирмой Carl Zeiss Meditec. В настоящее время при помощи этих устройств возможно проведение диагностики заболеваний глазного дна и переднего отрезка глаза на микроскопическом уровне.
Обследование основано на том, что ткани организма в зависимости от структуры по-разному могут отражать световые волны. При этом измеряется время задержки отраженного света и его интенсивность после прохождения через ткани глаза. Учитывая скорость световой волны, прямое измерение этих показателей невозможно. Для этого в томографах используется интерферометр Майкельсона. Низкокогерентный луч света инфракрасного спектра с длиной волны 830 нм (для визуализации сетчатки) или 1310 нм (для диагностики переднего отрезка глаза) разделяется на два, один из которых направляется к исследуемым тканям, а другой (контрольный) – к специальному зеркалу. Отражаясь, оба воспринимаются фотодетектором, образуя интерференционную картину.

Интерференция опорного и отраженного сигналов возникает при условии, что разница оптических путей не превосходит длины когерентности. Интерференционная картина анализируется программным обеспечением, и результаты представляются в виде псевдоизображения, где в соответствии с предустановленной шкалой участки с высокой степенью отражения света окрашиваются в «теплые» (красный) цвета, с низкой – в «холодные» вплоть до черного.
Более высокой светоотражающей способностью обладает слой нервных волокон и пигментного эпителия, средней – плексиформный и ядерный слои сетчатки. Стекловидное тело оптически прозрачно и в норме имеет на томограмме черный цвет. Для получения трехмерного изображения сканирование проводится в продольном и поперечном направлениях. Проведение ОКТ может быть затруднено наличием отека роговицы, помутнением оптических сред, кровоизлияниями.

ОКТ позволяет определить и оценить:
Морфологические изменения сетчатки и слоя нервных волокон, толщину этих структур
Различные параметры диска зрительного нерва
Анатомические структуры переднего отрезка глаза и их пространственное взаимоотношение
1
2
3

Получаемое путем суммирования нескольких А–сканов двухмерное изображение, по аналогии с ультразвуковым исследованием, называется В–сканом. Расстояние между точками А–скана определяет продольное (аксиальное) разрешение, между соседними А–сканами – поперечное.

1. Схема линейной траектории сканирования.
При сканировании «зондирующим» лучом получается двумерное визуализированное распределение мощности принятого сигнала - оптическая томограмма.
2. Схема определения временной задержки.
Исследуется отраженное, частично рассеянное излучение суперлюминесцентного диода (длина волны 830 мкм). Пространственный период интерференционной картины определяется разностью хода между участками волнового фронта.

Излучение применяемого низкокогерентного источника представлено множеством мелких световых пучков, каждый импульс которых имеет свойство когерентности и одинаковую длительность. В свою очередь, длительность или «ширина» этих импульсов является когерентной длиной светового источника; чем она короче, тем точнее интерферометрические измерения и тем выше разрешающая способность метода.

Схема устройства ОСТ: фундус-камера с интерферометром Майкельсона, компьютер для обработки и хранения графической информации, монитор для визуализации картины исследуемой области.

Прибор, реализующий технологию ОКТ в офтальмологии – Stratus OCT (Carl Zeiss Meditec)
Максимальная разрешающая способность Time–do­main ОКТ в клинике представлена в последней модификации Stratus OCT и составляет 8–10 мкм при скорости сканирования 400 А–сканов в секунду. Стандартное исследование, состоящее из 512 А–сканов, занимает, таким образом, более 1 секунды.

Функция картирования
Возможность исследования толщины сетчатки и ее слоев на определенном участке впервые была реализована в Stratus OCT.
Итогом выполнения стандартного протокола (не более 1 с) является карта, представляющая полученные результаты графически и в абсолютных значениях. Методы картирования нашли широкое применение как в практической, так и в научно–исследовательской работе.
карта элевации пигментного эпителия сетчатки

Проблема томографов данного поколения - чувствительность метода к микродвижениям глазного яблока. Наибольшие погрешности вызывают так называемые микросаккады – непроизвольные быстрые движения. Одно стандартное исследование на Stratus OCT (512 А–сканов) длится 1,28 сек. – за это время глазное яблоко 10–14 раз меняет свое положение. Подобный эффект негативно сказывается на конечной томограмме. Для нейтрализации появляющихся артефактов применяются методы графического сглаживания. Они эффективно выравнивают изображение, но могут скрывать локальные изменения, что вносит дополнительные затруднения в интерпретацию результатов.

Коренной перелом в технологии ОКТ связан с внедрением в практику спектральных интерферометров, использующих преобразование Фурье (spectral/Fourier domain).
В отличие от интерферометра Михельсона был использован спектрометр и высокоскоростная CCD – камера (CCD – charge–coupled device, или ПЗС - прибор зарядовой связи).
Источник света - широкополосный супер-люминесцентный диод, позволяющий получить низкокогерентный луч, содержащий несколько длин волн.

Таким образом, получение линейного скана происходит не путем последовательного измерения отражающих свойств каждой отдельной точки пространства, а одномоментно. Глубина сканирования при этом равна зоне когерентности. Подобный принцип исследования позволяет преодолеть ограничивающие факторы, связанные со скоростью и точностью движения механических частей интерферометра, поскольку опорное плечо остается во время исследования неподвижным.
Скорость сканирования спектральных ОКТ зависит от быстроты работы CCD–камеры и математического преобразователя, а аксиальная разрешающая способность – от чувствительности спектрометра. Поперечное разрешение всех типов ОКТ ограничивается аберрациями оптической системы глаза.
Благодаря принципу своей работы, спектральные ОКТ позволяют выполнять более 25 тыс. линейных сканов в секунду, превосходя по этому параметру оптические томографы предыдущего поколения более чем в 60 раз (некоторые модели – в 120 раз). Аксиальная разрешающая способность находится в пределах 3–8 мкм, поперечная – 10–15 мкм.
3D OCT-2000
Topcon (Топкон)

Как и в time–domain OCT, световой импульс делится на две равные части, одна из которых отражается от фиксированного опорного плеча (зеркала), вторая – от исследуемого объекта. Затем сигналы суммируются, а проинтерферировавший луч света раскладывается на составные части спектра, которые одномоментно фиксируются CCD–камерой. Полученный спектр интерференции состоит из совокупности световых волн, отраженных от различных по глубине участков исследуемого объекта.
Затем из полученного массива данных путем математического преобразования Фурье выделяются частотные составляющие, из которых формируется А–скан.

СКТ в отличие от time–domain OCT позволяют получить стандартный линейный профиль (1024 А–сканов) в среднем за 0,04 сек. За этот промежуток времени глазное яблоко не успевает совершить значимых движений, а значит, конечный В–скан максимально соответствует истинной структуре изучаемого объекта.
Высокое разрешение позволяет четко идентифицировать все слои сетчатки и внутренние слои сосудистой оболочки. Диагностический поиск производится на уровне отдельных структур и групп клеток (рис. 1). Четкая визуализация комплекса «пигментный эпителий – слой фоторецепторов – наружная пограничная мембрана» способствует раннему выявлению ретино–хориоидальной патологии. В качестве примера на рисунке 2 представлена ОКТ периферической зоны сетчатки пациента, страдающего дистрофией Штаргардта. Высокая разрешающая способность метода позволяет выявить патологические изменения в слое наружных сегментов фоторецепторов.

1
RTVue–100 фирмы Optovue (США) –в одном приборе возможности исследования как переднего, так и заднего отрезка глазного яблока;
2
3D OCT–1000/2000 (Topcon) –функции фундус–камеры и сопоставления фотоснимка глазного дна с ОКТ изображением;
3
CIRRUS HD OCT (Carl Zeiss);
4
Spectralis HRA+OCT (Heidelberg Engineering) – ОКТ–приставка к лазерному сканирующему ангиографу HRA.
5
Soct Copernicus и Soct Copernicus HR совместного производства Reichert (США) – Optopol (Польша).
На сегодня на мировом рынке представлено 5 моделей спектральных оптических когерентных томографов c возможностью исследования заднего отрезка глаза:
Soct Copernicus HR обладает на сегодняшний день максимальной заявленной скоростью сканирования (55000 А–сканов в секунду) и аксиальным разрешением (3 мкм). Также под маркой Soct разработан спектральный ОКТ для исследования переднего отрезка глаза.

Интерферометрия малой когерентности и оптическая когерентная
томография

Интерференционный сигнал формируется в том случае, если оптическая
разность хода между интерферирующими волнами не превышает длины вре-
менной когерентности Lc . Если используется низкокогерентный (широкополос-
ный) источник излучения с малой длиной временной когерентности, то интер-
ференционный сигнал представляет собой импульсный сигнал.
На данном графике изменение
интенсивности, регистрируемой
фотоприемником, представлено
в зависимости от величины сме-
щения зеркала M2. Эта зависи-
мость выражается следующим
уравнением:
где ER - амплитуда поля, отраженного от опорного зеркала M2; ES - амплитуда
поля, отраженного от зеркала M1; | γ (2ΔZM) |- модуль нормированной функции
временной когерентности светового поля, создаваемого источником; λ0 - цен-
тральная длина волны излучения; 2ΔZM - оптическая разность хода в интерфе-
рометре, соответствующая смещению зеркала M2 на величину ΔZM

При использовании источника малой когерентности значения комплексных составляющих электрического поля измерительной и опорной волн в фиксированной точке наблюдения можно выразить в форме
.
Излучение применяемого низкокогерентного источника представлено множеством мелких световых пучков, каждый импульс которых имеет свойство когерентности и одинаковую длительность. В свою очередь, длительность или «ширина» этих импульсов является когерентной длиной светового источника; чем она короче, тем точнее интерферометрические измерения и тем выше разрешающая способность метода

Интенсивность света на выходе интерферометра

Значение длины когерентности Lc определяет область, в которой наблюдаются интерференционные полосы малой когерентности и, следовательно, разрешающую способность по координате z.

Обычно полагают, что при взаимодействии с объемной средой измерительная волна содержит три составляющие :
При однократном отражении от локальной неоднородности
Составляющую с малым рассеянием при сохранении частичной когерентности
Диффузно отраженная составляющая с сильным рассеянием при многократном отражении и потерей когерентности

Для случая однократного отражения

При фокусировке измерительного пучка локализуется область объекта, показанная на рис. 10, а. Размер этой области в поперечном сечении сфокусированного пучка определяется выражением
тогда как размер локализованной области по глубине фокусировки равен
При использовании излучения малой когерентности осуществляется дополнительная селекция слоя по глубине среды (см. рис. 10, б) в пределах длины когерентности, определяемой согласно (1.8). Из выражений (2.2) и (1.8) следует соотношение

Таким образом, использование интерферометра малой когерентности в ОКТ обеспечивает фильтрацию функции распределения отражения среды в узкой области волновых чисел :
∆k = 4ln 2 / Lc .
В сравнении с импульсным освещением при длительности импульса ∆t, что соответствует узкополосной фильтрации в полосе частот B ~ 1/ ∆t при непосредственной регистрации диффузно отраженного излучения внутри этого временного интервала, в системе ОКТ малой когерентности выделяются частотные компоненты функции пространственного распределения отражения среды r(z).
Описание методов ОКТ на основе теории линейных систем позволяет использовать мощный математический аппарат для анализа и интерпретации данных о внутренней структуре случайно неоднородных сред [Schmitt J.M.]. В частности, возможно дополнительное повышение разрешающей способности систем ОКТ при использовании алгоритмов «противосвертки» [Hast J., Gurov I.,].

В схеме рис. 11 используется одномодовое оптическое волокно для ввода излучения в интерферометр и в ветвях интерферометра. Одномодовое волокно выполняет роль пространственного фильтра, поэтому система подобна конфокальному микроскопу. Дополнительная селекция по глубине среды обеспечивается за счет малой длины когерентности излучения .

2,3

4 ]

Для определения степени отражения излучения от различных слоев среды требуется оценивать амплитуду интерферометрических сигналов малой когерентности. Для устранения ложных некогерентных импульсных помех необходимо обеспечивать частотную селекцию (узкополосную фильтрацию) сигналов интерференционных полос.
Известны различные методы амплитудной демодуляции сигналов, такие как амплитудное детектирование с последующей фильтрацией нижних частот и синхронная амплитудная демодуляция (квадратурное синхронное детектирование). Во всех случаях для обеспечения высокого качества фильтрации необходима точная априорная информация о характеристиках полезного сигнала. В частности, при синхронной демодуляции требуется точное знание несущей частоты.
Обработка сигналов в системах ОКТ

Метод оптической когерентной томографии с параллельным приемом сигнала с глубины и волоконно-оптическими модуляторами фазы
Метод оптической когерентной томографии со схемой параллельного приема интерференционного сигнала (П-ОКТ), основанный на пространственном распараллеливании фазовой дифракционной решеткой опорной волны для создания временной задержки в интерферометре Маха – Цендера.

Метод ОКТ со схемой параллельного приема интерференционного сигнала (П-ОКТ) наиболее близок к классической ОКТ с временным способом построения изображения, но в нем отсутствует основной его недостаток – механическое изменение оптической разности хода, что позволяет достичь существенно более высокой скорости получения изображений. Основная идея метода П-ОКТ состоит в предварительном преобразовании опорной волны дифракционной решеткой таким образом, чтобы результат корреляции опорной и предметной волн был локализован в одной плоскости и мог быть одновременно проанализирован линейным массивом фотоэлементов. При этом, в отличие от спектральной ОКТ, данный метод не требует какой-либо дополнительной математической обработки ОКТ-сигнала.

П-ОКТ-установка
Схема экспериментальной П-ОКТ-установки на основе интерферометра Маха – Цендера:
1 – суперлюминесцентный диод; 2 – волоконно-оптический делитель мощности; 3 – пьезоэлектрические фазовые модуляторы; 4 – генератор пилообразного напряжения; 5 – дифракционная решетка; 6 – асферические линзы; 7 – полупрозрачное делительное зеркало; 8 – объект; 9 – дифракционная щель; 10 – фотоприемник; 11 и 12 – системы сканирования по глубине (при линейном перемещении фотоприемника) и поперечной координате (при линейном перемещении объекта).

Расчет интенсивности интерференционного сигнала
Для расчета пространственно-временного распределения интерференционного поля в плоскости фотоприемников получим выражения для опорной и предметной волн, прошедших через модуляторы и дифракционную решетку в схеме для П-ОКТ.
Где – стационарная случайная функция с нулевым средним и автокорреляционной функцией с усреднением по ансамблю реализаций поля:
(2)
Поле источника разделяется в волоконно-оптическом делителе на опорную и предметную волны с коэффициентом деления, равным K. В фазовых модуляторах, растягивающих и сжимающих оптоволокно в противофазе в обоих плечах интерферометра, опорная, Er, и предметная Eo, волны приобретают линейные по времени задержки, равные

Поскольку объективы переносят изображение из плоскости дифракционной решетки в плоскость фотоэлементов без искажения фазового фронта, комплексную амплитуду напряженности электрического поля Ẽrd(x,w) опорной волны Erd(x,t) на частоте w в плоскости фотоэлементов можно считать такой же, как и на дифракционной решетке (5):
Взяв обратное преобразование Фурье от обеих частей данного выражения, получим соотношение (6):
В отличие от опорной волны, напряженность электрического поля предметной волны Eod в плоскости фотоэлементов не зависит от координаты х, однако предметная волна приобретает временную за- держку относительно опорной волны, связанную с ее рас- пространением на глубину Zo и обратно:

Суммарное поле предметной и опорной волн на фотоэлементах создает фототок
где двойная черта означает интегрирование по времени T, соответствующему инерционности фотодетектора.
С учётом того, что это время много больше периода осцилляций поля и много меньше периода фазовой модуляции, 2p/wo << T << 2p/W, а также соотношений (1), (2), (4) фототок может быть выражен через автокорреляционную функцию источника.

Как видно из данного выражения, компонента фототока, несущая информацию об объекте исследования, осциллирует во времени с частотой, равной удвоенной частоте фазовой модуляции, что позволяет отделить ее от постоянной составляющей поля интерференции E 2rd. Поскольку спектр мощности источника излучения близок к гауссову распределению с шириной D l, автокорреляционная функция (2), связанная со спектром мощности источника фурье- преобразованием, также является функцией Гаусса:
Длина когерентности, связанная с шириной спектра соотношением (9):

Откуда следует, что ширина интерференционного отклика в плоскости фотоприемников больше длины когерентности источника в свободном пространстве в 1/sina раз.
Характерная ширина интерференционного отклика Lc по координате x в плоскости фотоприемников может быть вычислена как ширина функции (7) (совпадающая с шириной функции (8)) на полувысоте с учетом выражений для автокорреляционной функции (8) и длины когерентности (9):

Литература:
1. И.П. Гуров ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ: ПРИНЦИПЫ,
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
2
3
4

Приложение

SOCT Copernicus+

Рис. 1. Структуры сетчатки видимые при оптической когерентной томографии.

Рис.2. Соотношение гистологических слоев сетчатки и структур, видимых на ОКТ.

Рис.3. Томография макулярной зоны сетчатки в норме. Просматриваются все слои сетчатки.
Рис. 4. Амблиопия. Срез через центр макулы. На срезе отсутствует центральная ямка макулы, которая не сформировалась из-за отсутствия адекватных стимулов.

Рис. 5. Кистозный отек макулы. Отслойка задней гиалоидной мембраны.
Рис. 6. Преретинальный фиброз. Киста фовеолы. Отек сетчатки.

Трехмерная визуализация
В спектральных ОКТ появилась возможность трехмерной визуализации объекта. Скорость сканирования позволяет выполнить более 50 000 А–сканов участка ткани фиксированной площади за 1–2 с. Затем программное обеспечение восстанавливает трехмерную структуру объекта.

Рис. 7. 3D картина глазного дна. Глаукоматозная экскавация ДЗН. Рядом с диском на сетчатке тень от локального помутнения стекловидного тела.
Рис. 6. Преретинальный фиброз. Киста фовеолы. Отек сетчатки.
Рис. 7. 3 D картина поражения сетчатки лазером на дискотеке. Субретинальное кровоизлияние.