ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ

article description image

Оптическая когерентная томография (OКT) – это новая технология визуализации поперечного сечения с высоким разрешением. ОКТ аналогична ультразвуковой визуализации, за исключением того, что вместо звука применяется свет. Использование этой технологии в сочетании с катетерами и эндоскопами позволяет выполнить внутрипросветную визуализацию органов и систем в высоком разрешении. ОКТ можно использовать в качестве разновидности оптической биопсии. В отличие от обычной гистопатологии, где требуется удаление образца ткани и обработка для микроскопического исследования, эта технология может обеспечить изображение поперечного сечения структуры ткани in situ и в режиме реального времени. ОКТ может быть использована в том случае, когда стандартная эксцизионная биопсия является опасной или невозможной; для того, чтобы уменьшить ошибки выборки, связанные с эксцизионной биопсией; для направления интервенционных процедур. В этой статье мы рассмотрим технологию ОКТ и опишем потенциал ее биомедицинского и клинического применения.

 

Введение

ОКТ была впервые продемонстрирована в 1991 году [1]. Оптические изображения выполнялись in vitro в сетчатке глаза человека и в атеросклеротических бляшках в качестве примеров изображений прозрачных, слабо рассеивающих сред, а также непрозрачных, высоко рассеивающих сред. ОКТ изначально применялась для визуализации глаза и на сегодня показала наибольший клинический эффект в офтальмологии. Впервые томограмма in vivo диска зрительного нерва и макулы человека была продемонстрирована в 1993 году [2; 3]. ОКТ позволяет бесконтактно, неинвазивно визуализировать передний отдел глаза, а также морфологические особенности человеческой сетчатки, включая фовеа и диск зрительного нерва [4‑7]. Работая в сотрудничестве с New England Eye Center, наша группа обследовала более 10 тысяч пациентов. Технология была передана в промышленное производство и предложена для коммерческого использования в сфере офтальмологической диагностики в 1996 году («Хамфри Систем», Дублин, Калифорния). За последние несколько лет были проведены многочисленные клинические исследования.

В последнее время совершенствование технологии позволило получать изображения непрозрачных тканей, что открывает возможности применения ОКТ в широком диапазоне медицинских специальностей [8‑11]. Глубина изображения ограничивается оптическим затуханием рассеяния и поглощения ткани. Тем не менее, в большинстве тканей можно получить изображения до 2‑3 мм глубиной. Это тот же масштаб, который, как правило, достигается с помощью обычной биопсии и гистологии. Хотя глубина визуализации не так глубока, как с помощью ультразвука, разрешение ОКТ от 10 и до 100 раз больше, чем при стандартном клиническом ультразвуке. С помощью этой технологии были получены изображения in vitro артериальной патологии, где может быть дифференцирована морфология бля­шек [11; 12]. ОКТ-визуализация также проводилась in vitro для исследований в дерматологии, гастроэнтерологии, урологии, гинекологии, хирургии, нейрохирургии, ревматологии [9; 13‑28], а также in vivo для визуализации развивающихся биологических образцов (Xenopus laevis, Rana pipiens и Brachyodanio rerio головастиков и эмбрионов) [29‑31]. ОКТ представляет интерес для применения в биологии развития, поскольку позволяет повторно визуализировать развитие морфологии без необходимости жертвовать образцом.

ОКТ-технология интенсивно развивается. Высокоскоростные изображения в реальном времени продемонстрировали фиксацию изменений со скоростью нескольких кадров в секунду [15; 32; 33]. Высокое и сверхвысокое разрешения ОКТ-визуализации продемонстрировано с помощью новых лазерных источников света. Достигнуто осевое разрешение свыше 1 мкм [34‑36]. На клеточном уровне ОКТ-визуализация недавно продемонстрирована в биологии развития образцов [37]. Оптическая томография с использованием катетеров, эндоскопов и лапароскопов позволяет выполнить внутреннюю визуализацию [38; 39]. Такая визуализация желудочно-кишечного тракта, легких и мочевыводящих путей, а также артериальных изображений продемонстрирована in vivo на моделях животных [15; 28; 40]. Сообщалось о предварительных исследованиях ОКТ с помощью эндоскопа у людей [41; 42]. В настоящее время многими исследовательскими группами осуществляются предварительные клинические исследования.

В целом существует три типа клинических ситуаций, где, на наш взгляд, ОКТ может быть успешно применена:
1. Обычная эксцизионная биопсия является опасной или невозможной.
2. Обычная биопсия имеет неприемлемо высокий ложный отрицательный процент из‑за ошибок выборки.
3. Для руководства в хирургических интервенционных процедурах.
В данной статье мы рассмотрим основные концепты ОКТ-технологии и обсудим ее возможные приложения в биомедицинских исследованиях и клинической медицине.

 

Оптическая когерентная томография в сравнении с ультразвуком

ОКТ-изображение в чем‑то аналогично визуализации УЗИ в режиме B-mode, за исключением того, что вместо звука используется свет. Учитывая аналогию ОКТ и УЗИ, целесообразно начать с рассмотрения факторов, которые определяют сходство ОКТ- и УЗИ-визуализаций. Чтобы выполнить изображение поперечного сечения или томографии, в первую очередь необходимо измерить внутреннюю структуру материалов или тканей вдоль одной оси или в продольном сечении. В ОКТ первым шагом в построении томографического изображения является измерение осевого расстояния или информация о дальности в материале или ткани. Существует несколько различных вариантов осуществления ОКТ, но, в сущности, визуализация выполняется путем измерения времени задержки эха и интенсивности рассеянного света или света, обратноотраженного от внутренней микроструктуры материалов / тканей.

Ультразвуковое исследование является хорошим клиническим методом визуализации и широко используется, начиная от визуализации внутренних органов и систем, транслюминальной эндоскопической визуализации и основанных на применении катетера внутрисосудистых изображений. В УЗИ звуковая волна высокой частоты запускается в материал или ткань, создавая изображение с помощью зонда ультразвукового преобразователя [43‑47]. Звуковая волна распространяется в материале или ткани и обратно рассеивается или отражается от внутренних структур, имеющих различные акустические свойства. Частота звуковой волны определяет разрешение изображения в ультразвуке, где более высокие частоты создают более высокое разрешение. Вместе с тем распространение звуковой волны также приводит к ее ослаблению, и более высокие частоты уменьшают глубину визуализации. Временной режим или эхо-структура отраженных звуковых волн обнаруживаются с помощью ультразвукового зонда и диапазонов / размеров внутренних структур, определяемых из‑за задержки эхо-сигнала. Этот принцип сходен с тем, который используется в авиационных радиолокаторах дальности.

В ОКТ измерение расстояния и микроструктуры выполняются световыми волнами, которые обратно отражаются и обратно рассеиваются от различных микроструктур внутри материала или ткани [1]. С целью иллюстрации можно визуализировать операцию ОКТ, представляя, что световой пучок состоит из коротких оптических импульсов. Тем не менее, важно отметить, что, хотя ОКТ может быть выполнена с использованием короткого импульса света, большинство таких систем работают с использованием непрерывного излучения световых волн с низкой длиной когерентности. Кроме того, продемонстрирован целый ряд иных подходов к ОКТ, когда измеряются спектральные свойства низкокогерентного света или используется быстро настраиваемый узкополосный свет.

Когда пучок света или звука направляется на ткани, он обратно рассеивается или отражается от конструкций, имеющих разные акустические или оптические свойства, а также от границы между структурами. Размеры различных структур могут быть определены путем измерения эхо-времени, необходимого для звука или света, чтобы быть обратно отраженным или рассеянным от различных структур при различных осевых (продольных) расстояниях. В ультразвуке осевое измерение расстояния или диапазона называется сканированием в режиме A-mode. Принципиальное различие между ультразвуком и оптическим изображением состоит в том, что скорость распространения света примерно в миллион раз выше, чем скорость звука. Поскольку расстояние в пределах материала или ткани определяется путем измерения эхо-временной задержки обратнорассеивающихся или обратноотраженных световых волн, это означает, что для измерения расстояния с помощью света требуется ультрабыстрое временное разрешение.

Два наиболее важных параметра для характеристики качества изображения – это разрешение и глубина изображения. Разрешение ультразвуковых изображений напрямую зависит от частоты или длины используемых звуковых волн [43‑47]. В типичных клинических ультразвуковых системах используются звуковые частоты волн в режиме десяти мегагерц (МГц) и выхода пространственного разрешения в 150 мкм. Ультразвуковое исследование обладает тем преимуществом, что звуковые волны на этой частоте легко передаются в большинстве биологических тканей и, следовательно, позволяют получать изображения структур до нескольких десятков сантиметров вглубину внутри тела. Частота звука является важным параметром в ультразвуковой визуализации, поскольку позволяет оптимизировать разрешение изображения для данного применения в зависимости от глубины проникновения изображения. Высокая частота УЗИ была разработана и широко исследована в лабораторных приложениях, а также некоторых клинических приложениях. Решения от 15 до 20 мкм были достигнуты с частотами 100 МГц и выше. Тем не менее, высокие частоты ультразвука значительно ослабляются в биологических тканях, и затухание увеличивается примерно пропорционально частоте. Таким образом, высокая частота ультразвуковой визуализации ограничена глубиной всего лишь нескольких миллиметров.

Важно также отметить, что поперечное разрешение ультразвука регулируется возможностью фокусировки звуковых волн, и в целом звук труднее фокусируется, чем свет, так как поперечное разрешение для ультразвука ниже, чем для ОКТ. Современные технологии обработки оптических изображений имеют разрешение в пределах от 1 до 15 мкм. По сути, высокое разрешение оптической томографии позволяет визуализировать такие функции, как ткани архитектурной морфологии, а также некоторые клеточные особенности. Главный недостаток оптических изображений в том, что в большинстве биологических тканей свет сильно рассеивается. Кроме тканей глаза, в иных тканях пределы оптического рассеяния изображения достигаются при глубине проникновения 2‑3 мм.

Наконец, полезно отметить, что ОКТ, ультразвук и микроскопия имеют различные механизмы контрастности изображения. Ультразвуковые изображения различны из‑за несоответствия акустического импеданса ультразвука, рассеивающегося между различными тканями. Это создает различия в интенсивности отраженных или рассеивающихся звуковых волн. Изображение ОКТ использует свет и чувствительно к различиям в показателе преломления оптического рассеяния в различных тканях. Наконец, в микроскопии изображения генерируются различиями в любом оптическом отражении или прохождении через тонкие секции. В гистопатологии большое разнообразие пятен может быть использовано для селективного повышения контрастности между различными структурами. Таким образом, ОКТ отличается от ультразвука или гистопатологии, и необходимы исследования, чтобы установить основу для интерпретации ОКТ с точки зрения клинически значимых патологий.

Биомедицинская визуализация с использованием оптической когерентной томографии
Особенности ОКТ, свидетельствующие о важной роли этой технологии для биомедицинских изображений, таковы:
1. ОКТ создает изображение с осевым разрешением от 1 до 15 мкм, что на один-два порядка выше, чем при обычном УЗИ. Эта разрешающая способность приближается к гистопатологии, что позволяет исследовать архитектурную морфологию и некоторые клеточные функции. В отличие от УЗИ, томография может быть выполнена непосредственно по воздуху, не требуя прямого контакта с тканью или преобразовательной средой.
2. Формирование изображений может выполняться на месте, без необходимости иссекать образец. Это позволяет визуализировать структуры, в которых биопсия опасна или невозможна, а также способствует более полному охвату, что уменьшает ошибки выборки, связанные с эксцизионной биопсией.
3. Формирование изображений может выполняться в реальном времени, без необходимости обработки образца, как и в обычной биопсии и гистопатологических исследованиях. Это позволяет мониторить патологии на экране и сохранять изображение с высоким разрешением на носителе. Изображения в режиме реального времени можно включить в диагностику в реальном времени, а также соединить эту информацию с хирургией, что позволяет использовать ОКТ для хирургического руководства.
4. ОКТ как технология, основанная на оптоволокне, может быть соединена с широким спектром инструментов, включая катетеры, эндоскопы, лапароскопы и хирургические зонды. Это позволяет визуализировать органы и системы внутри тела.
5. И, наконец, ОКТ компактна и портативна, что является важным фактором для клинически жизнеспособного устройства.

 

Оптическая визуализация в офтальмологии

Изначально ОКТ применялась для визуализации тканей глаза [3‑7]. На сегодня технология показала наибольший клинический эффект именно в офтальмологии. Например, ОКТ-изображения нормальной сетчатки человека [5]. Ее изображение шириной в 250 пикселей получено с использованием излучения с длиной волны 800 нм и с разрешением 10 мкм. Изображение показывает поперечное сечение сетчатки с беспрецедентно высоким разрешением и позволяет подробно дифференцировать структуры. Хотя сетчатка почти прозрачна и имеет чрезвычайно низкое оптическое обратное рассеяние, высокая чувствительность метода позволяет визуализировать даже чрезвычайно слабые возможности обратного рассеяния, такие как переходы витреальной сетчатки. В ОКТ-изображении пигментный эпителий сетчатки и хориоидея, значительно насыщенные сосудами, видны как сильно рассеивающиеся структуры. Слой нервных волокон сетчатки виден как рассеивающий слой, исходящий из диска зрительного нерва и утончающийся с приближением к фовеа. С помощью ОКТ можно измерять общую толщину, а также толщину слоя нервных волокон сетчатки. Поскольку эти изображения имеют разрешение 10 мкм, возможно остаточное движение глаз пациента на первой-второй секунде времени, необходимого для измерения. Однако, поскольку ОКТ измеряет абсолютное положение, обработка изображений может быть использована для измерения осевого движения глаз и коррекции артефактов движения [3].

Были проведены клинические исследования возможности использовать ОКТ для диагностики и мониторинга заболеваний сетчатки, таких как глаукома, отек макулы, макулярного отверстия, центральная серозная хориоретинопатия, возрастноя дегенерация желтого пятна, эпиретинальных мембран, оптических дисков, фовеа и опухолей хориоидеи [5, 53‑59]. Кроме того, способность ОКТ выполнять визуализацию в реальном времени также используется для изучения динамических характеристик сетчатки, включая лазерные травмы сетчатки [60]. Изображения могут быть проанализированы в количественном аспекте и обработаны с помощью интеллектуальных алгоритмов для извлечения функций, например, сетчатки или толщины слоя нервных волокон сетчатки [61‑64]. Чтобы предоставить томографические данные для интерпретации в альтернативных формах, были разработаны карты и дисплей-методы.

ОКТ особенно перспективна для диагностики и мониторинга таких заболеваний, как глаукома или отек макулы, связанный с диабетической ретинопатией, поскольку может обеспечить количественную информацию патологии сетчатки, которая является индикатором прогрессирования заболевания. Оптическая томография также перспективна для выявления и диагностики ранних стадий заболевания еще до того, как появляются физические симптомы и происходит необратимая потеря зрения.

 

Обсуждение

Маловероятно, что ОКТ может заменить эксцизионную биопсию и гистологию. Тем не менее, с точки зрения скрининга и диагностики новообразований, мы ожидаем, что ОКТ может быть использована, чтобы направлять стандартную эксцизионную биопсию для уменьшения ошибок выборки и ложноотрицательных результатов. Это может повысить точность биопсии, а также уменьшить само количество биопсий, что дает экономию. После проведения более обширных клинических исследований ОКТ может быть использована для диагностики ранних неопластических изменений в определенных ситуациях. Данное приложение более сложно, так как предполагает постановку диагноза на основе ОКТ, а не обычной патологии, и возможно только в ограниченных клинических ситуациях. Если такие приложения будут успешными, то с помощью ОКТ можно будет получать диагностическую информацию для моментального принятия решения о лечении, отыскать сценарии, при которых ОКТ может быть использована в режиме реального времени для хирургического руководства. Интеграция диагностики и лечения может улучшить исход и уменьшить количество посещений пациентов, позволяя снизить расходы на здравоохранение.


Авторы: Джеймс  Г. Фудзимото, Костас Питри, Стивен Боппарт, Марк Бжезинский

ДРУГИЕ СТАТЬИ