Оптический томограф представляет собой диагностический прибор, основанный на принципе низкокогерентной интерферометрии. Данная технология обеспечивает получение изображений внутренней микроструктуры биологических тканей и технических материалов в поперечном сечении (томограммах) с высоким разрешением. В отличие от ультразвуковых или магнитно-резонансных систем, в данном устройстве в качестве зондирующего средства используется излучение ближнего инфракрасного диапазона. Ключевым преимуществом, которое предоставляет современный томограф оптический, является неинвазивность и отсутствие ионизирующего излучения.
Физические основы и принцип действия
Фундаментальный принцип, на котором базируется работа любого оптического томографа, — это интерферометрия Майкельсона с использованием низкокогерентного источника света. Система измеряет временную задержку световых волн, рассеянных от внутренних структур исследуемого объекта, и сравнивает ее с волнами, отраженными от опорного зеркала известного положения.
Основные этапы формирования изображения:
-
Генерация излучения. Широкополосный источник света (например, суперлюминесцентный диод или лазер с синхронизацией мод) генерирует низкокогерентное излучение. Низкая когерентность означает, что волны интерферируют друг с другом только на очень коротком расстоянии, что и позволяет добиться высокого аксиального (глубинного) разрешения.
-
Разделение пучка. Сгенерированное излучение попадает в интерферометр, где делится на два пучка:
-
Опорный пучок: направляется в опорное плечо и отражается от зеркала.
-
Измерительный пучок: направляется в измерительное плечо и фокусируется на исследуемый объект.
-
-
Обратное рассеяние. Свет измерительного пучка проникает в ткань, где частично поглощается, а частично рассеивается на границах раздела сред с различными оптическими свойствами (коэффициентами преломления). Некоторая часть излучения рассеивается обратно в направлении приёмника.
-
Интерференция. Обратно рассеянный от объекта свет и отраженный от опорного зеркала свет объединяются в детекторе. Интерференционный сигнал возникает только в том случае, если оптические пути в обоих плечах интерферометра различаются не более чем на длину когерентности источника. Это условие обеспечивает высокую глубинную селективность.
-
Детектирование и обработка. Приемник регистрирует интерференционный сигнал. Полученные данные об амплитуде и фазе сигнала подвергаются цифровой обработке, включая преобразование Фурье, в результате чего строится одномерный профиль (А-скан) рассеивающих свойств объекта по глубине.
-
Формирование изображения. Двухмерное поперечное сечение (Б-скан) формируется в результате проведения серии последовательных А-сканов в поперечном направлении относительно образца. Трехмерное изображение формируется серией последовательных Б-сканов.
Ключевые компоненты оптического томографа
Конструктивно любой оптический томограф включает в себя несколько основных системных блоков:
-
Источник излучения: Определяет центральную длину волны и ширину спектра, что напрямую влияет на глубину проникновения и аксиальное разрешение. Типичные диапазоны: 800–900 нм (для передних сегментов глаза), 1300–1550 нм (для дерматологии и эндоскопии, обеспечивающие лучшее проникновение в ткань).
-
Интерферометр Майкельсона: Ключевой модуль системы, включающий оптический делитель пучка (волоконно-оптический или свободно-оптический), опорное плечо с механизмом сканирования по глубине и измерительное плечо. От точности юстировки интерферометра и дисперсионной компенсации зависит итоговое разрешение системы.
-
Сканирующая система (Сканер): Отвечает за поперечное сканирование луча по поверхности образца. Может быть реализована на основе гальванометрических зеркал, систем развертки на основе MEMS-зеркал или через оптоволоконные конструкции.
-
Фотоприемник и система регистрации: Преобразует оптический интерференционный сигнал в электрический. В зависимости от типа системы (см. ниже) используются одиночные фотодетекторы, балансные детекторы или спектрометры.
-
Система обработки сигналов и управления: Высокопроизводительный компьютер и специализированное программное обеспечение для управления сканерами, сбора данных, реконструкции изображения в реальном времени и его последующего анализа.
Классификация и типы оптических томографов
Существует несколько технологических реализаций метода, отличающихся способом регистрации интерференционного сигнала.
| Тип системы | Принцип регистрации | Ключевые характеристики |
|---|---|---|
|
Time-Domain OCT (TD-OCT) (ОКТ во временной области) |
Опорное зеркало механически перемещается для сканирования по глубине. Сигнал регистрируется в каждый момент времени от одной глубинной точки. | Исторически первая реализация. Относительно низкая скорость сканирования. Умеренная чувствительность. |
|
Spectral-Domain OCT (SD-OCT) (Спектральная или Фурье-ОКТ) |
Опорное зеркало неподвижно. Интерференционный сигмент регистрируется как функция длины волны с помощью спектрометра и линейки фотодетекторов. | Высокая скорость получения томограмм (десятки тысяч А-сканов в секунду). Обладает фундаментальным преимуществом в чувствительности (на 15-25 дБ выше), что напрямую приводит к значительному увеличению отношения сигнал/шум по сравнению с TD-OCT. |
|
Swept-Source OCT (SS-OCT) (ОКТ с перестраиваемым источником) |
Используется быстро перестраиваемый по длине волны лазер. Регистрация сигнала осуществляется одиночным фотодетектором, который измеряет интерференционный сигнал во времени по мере перестройки длины волны лазера. Последующее Фурье-преобразование этого временного сигнала позволяет восстановить распределение отражателей по глубине. | Наивысшая скорость аксиального сканирования (сотни тысяч – миллионы А-сканов в секунду). Увеличенная глубина зондирования. Меньший уровень шума на больших глубинах. |
Сравнительная таблица технологий:
| Параметр | TD-OCT | SD-OCT | SS-OCT |
|---|---|---|---|
| Скорость (А-сканов/с) | Низкая (сотни - тысячи) | Высокая (десятки тысяч) | Очень высокая (сотни тысяч - миллионы) |
| Чувствительность | Базовая (~90-100 дБ) | Высокая (~100-110 дБ) | Высокая и выше (~105-115 дБ) |
| Ключевое ограничение | Механическое сканирование ограничивает скорость | Падение сигнала с глубиной | Более сложный и дорогой источник |
Основные технические параметры для оценки
При выборе оборудования критически важными являются следующие параметры, которые определяет конкретная конструкция томографа оптического:
-
Аксиальное разрешение: Способность системы различать две близко расположенные вдоль оси зондирования структуры. Определяется центральной длиной волны и шириной спектра источника. Обычно составляет 1–15 мкм в тканях.
-
Поперечное разрешение: Способность различать точки в плоскости, перпендикулярной лучу. Определяется параметрами оптической системы фокусировки (числовая апертура, диаметр пятна). Обычно составляет 10–30 мкм.
-
Скорость сканирования: Количество А-сканов, регистрируемых в секунду. Определяет время, необходимое для получения одного двухмерного или трехмерного изображения, и минимизирует артефакты от движения пациента. Измеряется в кГц или МГц.
-
Глубина зондирования: Максимальная глубина в образце, с которой может быть получен полезный сигнал. Ограничена рассеянием и поглощением света в ткани, а также затуханием изображения в SD-OCT, вызванным конечным разрешением спектрометра. Для большинства биологических тканей составляет 1–3 мм при длине волны 1300 нм.
-
Динамический диапазон: Отношение максимального регистрируемого сигнала к уровню шума системы. Характеризует способность системы одновременно отображать как очень сильные, так и очень слабые отражатели без насыщения детектора. Измеряется в децибелах (дБ). Типичные значения для современных систем превышают 90–100 дБ.
Функциональные модификации оптической когерентной томографии
Современный оптический томограф часто поддерживает функциональные расширения, позволяющие получать дополнительную информацию о свойствах исследуемого материала.
-
ОКТ-ангиография (OCTA): Техника, позволяющая визуализировать микрососудистую сеть без введения контрастного вещества. Основана на анализе декорреляции сигнала между последовательными В-сканами, вызванной движением клеток крови.
-
Поляризационно-чувствительная ОКТ (PS-OCT): Позволяет оценивать анизотропные свойства ткани, такие как двулучепреломление. Это полезно для визуализации коллагеновых структур (роговица, хрящ, фиброзные бляшки).
-
Эластография на основе ОКТ: Оценка механических свойств тканей путем измерения их деформации в ответ на внешнее воздействие (воздушное или механическое).
Области применения оптической когерентной томографии
Благодаря своей неинвазивности и высокому разрешению, томограф оптический нашел широкое применение в различных областях:
-
Офтальмология: Является «золотым стандартом» для визуализации сетчатки (макулы, зрительного нерва), роговицы и передней камеры глаза. Позволяет диагностировать глаукому, возрастную макулярную дегенерацию, диабетическую ретинопатию.
-
Дерматология: Используется для неинвазивной биопсии кожи, оценки границ опухолей (например, базальноклеточного рака), мониторинга эффективности терапии.
-
Кардиология и эндоскопия: Интеграция волоконно-оптических томографов оптических в катетеры и эндоскопы позволяет визуализировать состояние сосудов (внутрисосудистая ОКТ), стенок желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей.
-
Стоматология: Применяется для визуализации структуры эмали и дентина, диагностики кариеса, оценки качества реставраций и краевого прилегания пломб.
-
Исследования материалов: Контроль дефектов в полимерах, композитах, покрытиях; неразрушающий контроль микроэлектронных компонентов и сенсоров.
Оптический томограф представляет собой высокотехнологичное устройство, предоставляющее возможность прижизненной микроскопии биологических тканей и неразрушающего контроля технических материалов. Постоянное развитие технологии, в частности увеличение скорости и разрешения, а также появление новых функциональных расширений, расширяет диагностические и исследовательские возможности данного метода. Выбор конкретной системы требует тщательного анализа ее технических характеристик и их соответствия решаемым задачам.
