Двухосевая оптическая когерентная томография ( DA-OCT ) — это метод визуализации, основанный на принципах оптической когерентной томографии (OCT). Эти методы широко используются для медицинской визуализации . OCT является неинвазивным и бесконтактным. Он позволяет получать изображения в реальном времени in situ и обеспечивает высокое разрешение изображения. OCT аналогичен ультразвуку, но использует световые волны (обычно ближнего инфракрасного диапазона), что делает его быстрее ультразвука. [1] В целом, OCT оказался компактным и портативным. Он совместим с артериальными катетерами и эндоскопами, что помогает диагностировать заболевания в длинных внутренних полостях, включая пищевод ( болезнь Барретта ) и коронарные артерии ( сердечно-сосудистые заболевания ). [2]
Самым большим ограничением традиционной ОКТ является то, что она основана на обнаружении баллистических (нерассеянных) фотонов, которые могут иметь среднюю длину свободного пробега всего 100 микрон, или однократно рассеянных обратно фотонов. Это сильно ограничивает глубинное проникновение в сильно рассеивающую биологическую ткань. Это вызывает неудовлетворительное отношение сигнал/шум (SNR) в глубоких областях. Чтобы преодолеть эту проблему, DA-OCT использует угловые компоненты источника и обнаружения и настраиваемую линзу для создания улучшенной глубины фокуса и улучшения глубинного проникновения в биологическую ткань. [3] [4]
DA-OCT применяет двухосную архитектуру к спектральной системе OCT. Цель состоит в том, чтобы улучшить глубину обзора в биологической ткани. Двухосная архитектура с когерентной визуализацией была представлена в начале 2010-х годов. До разработки DA-OCT двухосная конструкция обычно использовалась с многоспектральной интерферометрией с низкой когерентностью с множественным рассеянием (ms2/LCI), методом, который также анализирует многократно рассеянный свет для получения изображений с разрешением по глубине из оптических рассеивающих сред. [5]
Для этой архитектуры источник света и детектор наклонены под равными и противоположными углами, чтобы создать двойную ось. Небольшой угол рассеяния увеличивает вероятность сбора большего количества фотонов, рассеиваемых внутри ткани. Чем больше угол источника и детектора, тем глубже фокальная зона. Но есть и проблема: чем больше угол, тем меньше фокальная зона. Несмотря на то, что вероятность обнаружения рассеянного фотона увеличивается, размер области уменьшается. [3]
Для устранения проблемы уменьшения размера фокальной зоны используется настраиваемая линза. Настраиваемая линза обеспечивает динамическую фокусировку, при которой фокальная зона может сканироваться на различных глубинах ткани. Данные из разных сканирований сшиваются в единое изображение с использованием алгоритма, похожего на тот, который используется в оптической когерентной микроскопии в домене Габора. Это формирует повышенную глубину фокуса, что позволяет достичь большей глубины проникновения в мутные среды. [3]
Свет от широкополосного суперконтинуального лазера фильтруется в диапазоне от 1240 до 1390 нм и направляется в волоконный соединитель. Волоконный соединитель реализует интерферометр , отличительную черту ОКТ, который разделяет входной свет на плечи образца и эталона. Двухосная архитектура была добавлена к плечу образца, наклоняя как свет, исходящий от лазерного источника, так и свет, направленный на детектор. Изменяя угол, он увеличивает вероятность сбора большего количества света, рассеянного под случайными углами глубоко в среде. DA-OCT также использует зеркало микроэлектромеханической системы (MEMS) для более быстрого сканирования луча. Это помогает сократить время интеграции, поскольку DA-OCT должен собирать сканы на нескольких глубинах, чтобы сформировать единое изображение. [3]
Для DA-OCT и OCT исследовательская группа визуализировала образцы с настраиваемой линзой и без настраиваемой линзы. В своих результатах они назвали DA-OCT с настраиваемой линзой DA-DOF+, а DA-OCT без настраиваемой линзы просто DA-OCT. (DOF+ означает «увеличенную глубину фокуса».) Группа назвала осевую OCT с настраиваемой линзой On-Axis OCT DOF+. Они назвали осевую OCT без настраиваемой линзы OCT или On-Axis OCT. [3]
Для количественных экспериментов в качестве основной метрики для определения качества изображения использовалось отношение контрастности к шуму (CNR). Обычно они визуализировали иглу внутри рассеивающей среды, поэтому CNR выражалось как:
где μ s — среднее количество пикселей профиля иглы, μ m — среднее количество пикселей окружающей среды, σ s и σ m — соответствующие стандартные отклонения. [3]
Исследовательская группа Вакса разработала гидрогелевые фантомы на основе интралипида, которые были визуализированы с помощью DA-OCT, On-Axis OCT и DA-DOF+. Для имитации сильно рассеивающей вперед биологической ткани один гидрогелевый фантом имел пониженный коэффициент рассеяния 1,6 мм -1 и анизотропию 0,9. Другой гидрогелевый фантом имел близкое к нулю значение анизотропии и служил в качестве контроля. В оба гидрогелевых фантома для визуализации была помещена игла. В случае высокой анизотропии не было никакого улучшения в CNR DA-OCT по сравнению с On-Axis OCT. Сравнивая DA-DOF+ с On-Axis OCT, наблюдалось увеличение CNR на 17%. В случае низкой анизотропии не наблюдалось значительного увеличения CNR DA-OCT по сравнению с осевой OCT, но наблюдалось увеличение на 31% для DA-DOF+ по сравнению с осевой OCT. [3]
Исследовательская группа Вакса также наблюдала профиль CNR иглы на разных глубинах (~0 мм, 1,3 мм, 2,5 мм) в коже мыши. Они получали изображения с помощью On-Axis OCT, DA-OCT, On-Axis OCT DOF+ и DA-DOF+. Для больших глубин (>1 мм) DA-OCT и DA-DOF+ давали лучший CNR, чем On-Axis OCT и On-Axis OCT DOF+. Например, группа обнаружила 195%-ное увеличение с DA-OCT по сравнению с On-Axis OCT и 169%-ное увеличение с DA-DOF+ по сравнению с On-Axis OCT DOF+. DA-OCT и DA-DOF+ не показали сильного CNR на меньших глубинах по сравнению с On-Axis OCT и On-Axis OCT DOF+, поскольку поверхность иглы была расположена слишком далеко от фокальной зоны системы. Во всех случаях режимы с улучшенной глубиной фокуса (DOF+) имели значительно лучшее CNR, чем соответствующие режимы без настраиваемой линзы. В целом тенденции соответствуют выводам группы: DA-OCT DOF+ обеспечивает лучшее CNR на больших глубинах. [3]
Исследовательская группа под руководством Вакса провела несколько качественных исследований. Во-первых, они исследовали ex-vivo кожу уха свиньи с помощью DA-OCT и традиционного OCT. Эпидермис выглядит ярче на изображении DA-OCT, тогда как на традиционном OCT он сливается со слоем дермы. DA-OCT обнаружил более сильный сигнал от фотонов, чем традиционный OCT. Кроме того, слой эпидермиса выглядит толще на изображении DA-OCT, что означает, что с помощью DA-OCT было обнаружено больше многократно рассеянных фотонов по сравнению с традиционным OCT. [4]
Группа сравнила DA-OCT-изображения поврежденной кожи крысы с гистопатологическими слайдами тех же образцов. Согласно гистопатологическим слайдам, основание кожи крысы здоровое (контроль), в то время как середина и кончик указывают на травму и структурные повреждения. DA-OCT-изображения соответствуют этим выводам. Для здорового основания DA-OCT-изображение показывает однородную интенсивность обратного рассеяния. Для середины и кончика DA-OCT-изображения показывают области неоднородного обратного рассеяния, которые указывают на некроз тканей . [4]
