TOMOGRAFIA OPTYCZNA

1.

Budowa i zasada działania

Schemat blokowy tomografu optycznego o stałej geometrii

Tomografia optyczna w swojej istocie najbardziej przypomina ultrasonografie (USG). Podobnie jak w

tej metodzie, badany obiekt sonduje wiązka – tym razem światła. Światło rozproszone wstecz niesie

informacje o położeniu miejsc znajdujących sie na drodze wiązki światła tam, gdzie zmienia sie

współczynnik załamania. Przesuwając promień w kierunku poprzecznym do kierunku rozchodzenia

sie światła, otrzymujemy (znów podobnie jak w USG) kolejne porcje informacji o położeniu centrów

rozpraszających.

Złożenie wyników kolejnych pomiarów daje obraz przekroju badanego obiektu. Obrazy kilku warstw

dają w rezultacie strukturę trójwymiarową. Odmienne od USG są natomiast metody uzyskiwania

informacji o położeniu centrów rozpraszających. W tym celu stosuje sie tu układ interferometryczny

ze źródłem światła o częściowej spójności, odznaczającego sie bardzo małą spójnością podłużną przy

wysokim stopniu spójności poprzecznej. Wiązka światła emitowana przez źródło dzielona jest przez

podział amplitudy na dwie, z których jedna penetruje obiekt, a druga pada na zwierciadło

odniesienia. Światło rozproszone na elementach struktury obiektu (n,m) jest doprowadzane do

interferencji z wiązką odniesienia (r). Przed wyjściem z interferometru fale rozproszone w obiekcie

dodają sie z falą referencyjną. Widmo sumarycznego natężenia światła wychodzącego z

interferometru ma postać:

G



v  G



v  G



v



 2Re  G

vexp4πivτ



 τ







 2Re  G



vexp4πivτ



 τ









Gdzie: G

nm

(v) jest widmową gęstością mocy, v – częstością fali elektromagnetycznej, a τ -

opóźnieniem.

W pierwszym przybliżeniu, bez uwzględnienia absorpcji w obiekcie, wszystkie składowe G

nm

(v) są

proporcjonalne do widma źródła. Informacje o położeniu centrów rozpraszających można dostać na

dwa sposoby:

a)

poprzez rozwiniecie tego widma za pomocą siatki dyfrakcyjnej, rejestracje prążków
widmowych i numeryczne wykonanie transformaty Fouriera → metoda widmowa
(spektralna)

,

b)

poprzez zarejestrowanie fotodiodą natężenia całkowitego, co jest równoważne całkowaniu
względem v → metoda czasowa.

Wykorzystując związek między gęstością widmową G i funkcją koherencji pierwszego rzędu Γ

(twierdzenie Wienera–Chinczyna), można przedstawić wyniki omawianych operacji w postaci

następujących wzorów:

FT



G



v  Γ



τ

 Γ



τ



 2Re  Γτ  2τ

 τ







 Γτ  2τ

 τ



  Γτ  2τ



 τ



  Γτ  2τ



 τ













Wzór ten przedstawia funkcje otrzymaną z numerycznej transformaty Fouriera i wskazuje, jakim

wartościom opóźnienia odpowiada położenie n-tego centrum rozpraszającego. W położeniu τ = 0

lokują się przyczynki pochodzące od natężeń wiązki referencyjnej i obiektowej. Z faktu, że

transformacie Fouriera poddana została funkcja rzeczywista (widmo), wynika obecność dwóch

obrazów symetrycznie rozmieszczonych względem zera (cztery ostatnie człony wzoru). Zauważmy, ze

tylko ostatnie dwa wnoszą informacje o rozkładzie centrów rozpraszania, pod warunkiem, że

położenie zwierciadła odniesienia z

r

= cτ

r

jest stałe.

Iτ



  I



 I





 2Re  Γ



2τ

 τ



  Γ



2τ



 τ





Z kolei wykres uzyskany na podstawie tego wzoru przedstawia położenia centrów rozpraszających

pod warunkiem, że zmienną jest położenie zwierciadła referencyjnego (τ

r

= z

r

/c). Do wyznaczenia

wartości tej funkcji potrzebny jest zatem ruch zwierciadła.

Z obu wzorów wynika, że jednocześnie interferują ze sobą wszystkie fale rozproszone i fala

referencyjna. W metodzie widmowej rejestrowany jest wynik wszystkich interferencji, a w metodzie

czasowej rejestrowane są tylko te, które niosą informacje o położeniu centrów rozpraszających.

Pasożytnicze interferencje w metodzie widmowej mieszają sie z tymi, które niosą informacje, ale te

pierwsze można łatwo usunąć. Natomiast dodatkowe człony w metodzie czasowej składają się na

stałe tło, pogarszając stosunek sygnału do szumu. Praktyczną zaletą metody widmowej jest to, że nie

wymaga ona ruchomych części.

2.

Tomograf optyczny spektralny i czasowy; metoda 1-frame

Schemat widmowego tomografu optycznego

Schemat czasowego tomografu optycznego

Częścią wspólną obu układów jest interferometr Michelsona. Drugim wspólnym elementem jest

źródło światła o małej spójności czasowej, lecz dużej przestrzennej poprzecznej. Mała spójność

czasowa określa rozdzielczość podłużną – jest ona równa szerokości funkcji koherencji, która jest tym

węższa, im szersze jest widmo źródła.

Duża spójność poprzeczna wymagana jest po to, by uzyskać wysoki kontrast prążków w przypadku,

gdy światło pochodzi z rozproszenia, a nie odbicia. Idealnym źródłem byłoby światło żarówki

przechodzące przez otworek (filtr przestrzenny) o średnicy kilku mikrometrów. Niestety, ilość światła

uzyskana w ten sposób nie pozwoliłaby na wykonanie żadnego pomiaru. Powszechnie używanym

źródłem światła są diody superluminescencyjne o parametrach: λ = 800 nm, ∆λ = 10 nm, ∆z = 14 μm.

Eksperymentuje się także ze źródłami światła białego i laserami femtosekundowymi (∆z = 1 μm).

Istotne różnice między obiema metodami to ruchome (zakres ruchu ok. 2 cm) zwierciadło w

metodzie czasowej i spektrograf w metodzie widmowej.

3.

Metoda kombinowana OCT-mikroskop optyczny

Optyczna tomografia koherentna (ang. OCT – Optical Coherence Tomography) wykorzystuje światło i

technologię światłowodową do uzyskania dotychczas niespotykanej jakości obrazów tkanki ludzkiego

ciała.

Idea badania OCT polega na emisji wiązki świtała podczerwonego wewnątrz naczynia, i uzyskaniu

obrazów dzięki informacjom zawartym w wiązce powracającej, rozproszonej na elementach tkanki.

Częstotliwości, oraz całkowita szerokość pasma światła podczerwonego gwarantują tej metodzie

nawet 25 krotnie lepszą rozdzielczość, niż pozostałe, znane i wykorzystywane techniki. Metoda ta, z

powodu ograniczeń wynikających z właściwości zastosowanego rodzaju światła, z powodzeniem

stosowana jest w diagnostyce naczyń wieńcowych ze względu na ich niewielką średnicę.

4.

Zastosowania OCT

Obrazowanie z wykorzystaniem OCT może w łatwy i wygodny sposób wspomagać implantację

stentów oraz zabiegi angioplastyki z wykorzystaniem cewników balonowych dzięki obrazowaniu „real

time”. Jest również doskonałym narzędziem diagnostycznym przy ocenie pokrywania stentu w miarę

upływu czasu po jego założeniu. Dzięki najwyższej dostępnej rozdzielczości możliwe jest dokonywanie

analizy wielu niebezpiecznych zmian w obrębie naczynia (zwapnienia, skrzepliny i wiele innych) kiedy

są one jeszcze niewielkie.

Dodatkowo OCT może w niedalekiej przyszłości okazać się najlepszym możliwym narzędziem we

wczesnej diagnostyce zmian nowotworowych, które to w ponad 85% przypadków mają swoje

ognisko w cienkiej warstwie nabłonka pokrywającego wewnętrzną i zewnętrzną część naczyń.

Metoda ta wymaga, przed rozpoczęciem właściwego obrazowania, zamknięcia naczynia za pomocą

specjalnie przygotowanego i dostarczonego w zestawie balonu okluzyjnego typu „semi-compliant”

oraz przepłukania go z pozostałej krwi za pomocą soli fizjologicznej.

Sonda optyczna, za pośrednictwem której światło podczerwone jest dostarczane w pole obrazowe,

składa się z przewodu wykonanego częściowo z powlekanej stali nierdzewnej, a częściowo z włókna

szklanego wewnątrz którego znajduje się pojedyncze włókno światłowodowe o średnicy 0,06” wraz z

osadzoną na końcu odpowiednią soczewką. To właśnie ten wewnętrzny światłowód wprawiany jest

w ruch obrotowy za pomocą specjalnego urządzenia/interfejsu tzw. PIU (ang. Probe Interface Unit),

które również realizuje automatyczny „pull-back” (sonda optyczna przez cały czas badania pozostaje

na swoim miejscu do którego została doprowadzona, a przemieszcza się jedynie wewnętrzny

światłowód wraz z soczewką). Następnie za pomocą interferometru i zintegrowanego z nim

komputera dokonywana jest analiza informacji zawartych w świetle rozproszonym i na jej podstawie

tworzone są obrazy przekrojów naczyń.

Tomografia optyczna umożliwia pomiar widma absorpcji w funkcji głębokości warstwy. Stwarza to

możliwość wyznaczenia stopnia utlenowania krwi w siatkówce czy zależności ilości barwnika

służącego do terapii fotodynamicznej od głębokości.

Dziedziną, w której tomografia optyczna najwcześniej znalazła zastosowanie, jest okulistyka. Badane

ośrodki w sposób umiarkowany pochłaniają i rozpraszają światło. Można dzięki temu stosunkowo

łatwo uzyskiwać przekroje dowolnych struktur oka, niedostępnych w normalnym badaniu

okulistycznym.

Znajomość geometrii kąta przesączania jest istotna przy diagnozie jaskry i planowaniu terapii.

Natomiast dokładna informacja o szczelinie miedzy tylnokomorowym implantem soczewkowym a

tylną torebką soczewki pozwala ocenić prawidłowość wykonanego zabiegu, a nawet kształt tylnej

torebki soczewki (ew. jej pomarszczenia lub zgrubienia). Zupełnie niedostępne w rutynowym badaniu

klinicznym wziernikiem są takie struktury dna oka, jak grubość warstwy nerwowej i przestrzenna

struktura tarczy nerwu wzrokowego – istotne do diagnostyki jaskry czy tez innych procesów

chorobowych toczących sie w nerwie wzrokowym. Równie ważna jest ocena topografii plamki żółtej

ze względu na narastające zagrożenie starczym zwyrodnieniem plamki żółtej.

Metoda mniej nadaje sie do zastosowań dermatologicznych, ze względu na silne

rozpraszanie.

Tomogramy kąta przesączania oka wieprzowego (in vitro, z lewej) oraz soczewki i

tęczówki oka ludzkiego (in vivo, z prawej).