Презентация "Оптическая когерентная томография (ОКТ)" – проект, доклад

Оптическая когерентная томография (ОКТ)

Область применения ОКТ

Офтальмология Гастроэнтерология Кардиология Урология Дерматология Стоматология Материаловедение и пр.

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).

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.

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 1994 г. разработанная технология ОКТ была передана зарубежному подразделению фирмы Carl Zeiss, Inc. (Hamphrey Instruments, Дублин, США), и в 1996 г. была создана первая серийная система ОКТ, предназначенная для офтальмологической диагностики глаукомы методом прямого наблюдения состояния зрительного нерва и сетчатки глаза.

интерферометр Михельсона

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.

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 суперлюминесцентный диод, позволяющий получить низкокогерентный луч, содержащий несколько длин волн.

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.

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)

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.

Проблема томографов предыдущего 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.

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.

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.

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

Интерферометрия малой когерентности и оптическая когерентная томография

При использовании источника малой когерентности значения комплексных составляющих электрического поля измерительной и опорной волн в фиксированной точке наблюдения можно выразить в форме .

Интенсивность света на выходе интерферометра

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

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 .

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

Литература: И.П. Гуров ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ: ПРИНЦИПЫ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

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.

Рис. 7. 3D картина глазного дна. Глаукоматозная экскавация ДЗН. Рядом с диском на сетчатке тень от локального помутнения стекловидного тела.

Рис. 7. 3 D картина поражения сетчатки лазером на дискотеке. Субретинальное кровоизлияние.