Физические основы и принцип действия
Фундаментальной основой метода ОКТ является интерференция света. Аппаратура регистрирует интерференционную картину, возникающую при совмещении световой волны, рассеянной от исследуемого объекта (объектный луч), и волны, отраженной от эталонного зеркала интерферометра (референтный луч). Поскольку в качестве источника излучения используется низкокогерентный свет, интерференция наблюдается только в том случае, когда оптическая разность хода между объектным и референтным плечом интерферометра находится в пределах когерентной длины источника.
Глубинное сканирование (А-сканирование, или аксиальное сканирование) осуществляется путем изменения длины референтного плеча, что позволяет selectively регистрировать сигнал от различных глубинных слоев образца. Поперечное сканирование (Б-сканирование или эн-фейс сканирование) достигается за счет перемещения фокусирующего объектива или сканирующего зеркала в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового луча, что позволяет построить двухмерное или трехмерное изображение.
Ключевые компоненты оптического томографа
Конструктивно система ОКТ включает в себя несколько обязательных модулей:
-
Источник низкокогерентного излучения. Характеризуется малой длиной когерентности, что напрямую определяет аксиальное разрешение системы. Наиболее распространены:
-
Суперлюминесцентные диоды (SLD): обеспечивают широкий спектр излучения (десятки нанометров) на центральных длинах волн 800-850 нм, 930-970 нм, 1300-1350 нм.
-
Титано-сапфировые лазеры с синхронизацией мод: обеспечивают сверхширокополосное излучение с высокой спектральной плотностью мощности, что позволяет достигать разрешения менее 5 мкм.
-
Лазеры на фотонных кристаллах: современный источник для сверхвысокого разрешения.
-
-
Интерферометр (чаще всего Майкельсона). Сердечник системы, где происходит разделение светового пучка и последующая интерференция.
-
Сканирующая система (сканер). Обеспечивает отклонение зондирующего луча для построения изображения. Реализуется на основе:
-
Гальванометрических зеркал: обеспечивают высокую скорость и точность сканирования.
-
MEMS-зеркал (Microelectromechanical systems): миниатюрные системы для компактных и портативных решений.
-
Двигателей вращения: для построения изображений в цилиндрической системе координат (ангиография сосудов).
-
-
Фотодетектор и система регистрации. Преобразует оптическую интерференционную картину в электрический сигнал. В зависимости от типа системы используется:
-
Одиночный точечный детектор (в системах с временной domain ОКТ, TD-OCT).
-
Спектрометр с линейкой ПЗС- или КМОП-датчиков (в спектральной domain ОКТ, SD-OCT / FD-OCT).
-
Балансный фотоприемник или отдельный детектор с высокой частотой дискретизации (в ОКТ с преобразованием Фурье на swept-источнике, SS-OCT).
-
-
Электронный блок управления и система обработки данных. Осуществляет синхронизацию работы сканера, детектора и источника, а также выполняет цифровую обработку (включая преобразование Фурье) и реконструкцию изображения.
Классификация оптических томографов по принципу формирования сигнала
Классификация ОКТ-систем эволюционировала с развитием технологий источников света и детектирования.
| Тип системы | Принцип работы | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|
| TD-OCT (Time-Domain OCT) | Глубинное сканирование осуществляется за счет механического перемещения эталонного зеркала для изменения длины референтного плеча. | Простота концепции, низкая стоимость компонентов. | Низкая скорость сканирования, ограниченная чувствительность и отношение сигнал/шум. |
| SD-/FD-OCT (Spectral-/Fourier-Domain OCT) | Длина референтного плеча фиксирована. Интерференционный сигнал регистрируется спектрометром как функция длины волны. Аксиальное сканирование производится математически путем преобразования Фурье зарегистрированного спектра. | Высокая скорость сканирования (в 50-100 раз выше, чем у TD-OCT). Высокая чувствительность. Отсутствие движущихся частей в сканирующем модуле. | Зависимость сигнала от глубины (затухание). Более высокая сложность и стоимость спектрометра. |
| SS-OCT (Swept-Source OCT) | Используется источник света с быстро перестраиваемой длиной волны (сканирующий источник). Интерференционный сигнал регистрируется на точечном фотодетекторе как функция времени. Глубинное сканирование также выполняется путем преобразования Фурье. | Наибольшая скорость и глубина сканирования. Улучшенное соотношение сигнал/шум на больших глубинах. Возможность работы в более дальних ИК-диапазонах (1050-1350 нм), что увеличивает глубину проникновения в рассеивающие среды. | Высокая стоимость перестраиваемого лазера. Проблемы с стабильностью сканирования по длине волны. |
Основные технические характеристики
При оценке и сравнении систем ОКТ оперируют следующими ключевыми параметрами:
-
Аксиальное (глубинное) разрешение: Способность системы различать два близлежащих объекта вдоль оси распространения луча. Определяется центральной длиной волны и шириной спектра источника (Δλ). Вычисляется по формуле: Δz = (2 ln2/π) * (λ₀²/Δλ), где λ₀ — центральная длина волны. Обычно составляет от 1-2 мкм (сверхвысокое разрешение) до 10-15 мкм (стандартное разрешение).
-
Поперечное (латеральное) разрешение: Способность системы различать два объекта в плоскости, перпендикулярной лучу. Определяется числовой апертурой и характеристиками фокусирующей оптики. Обычно составляет от 3 до 20 мкм.
-
Скорость сканирования (частота аксиальных сканов): Количество А-сканов, регистрируемых в секунду. Измеряется в кГц. Определяет время, необходимое для получения трехмерного массива данных без артефактов от движения. Современные SD-OCT системы работают на скоростях 50-200 кГц, SS-OCT — от 100 кГц до нескольких МГц.
-
Глубина визуализации: Максимальная глубина в образце, с которой может быть получен полезный сигнал. Зависит от длины волны (увеличение глубины при работе в диапазонах 1050 нм и 1300 нм по сравнению с 800 нм) и степени поглощения/рассеяния света в исследуемом материале.
-
Динамический диапазон: Отношение максимального регистрируемого сигнала к уровню шума детектора. Измеряется в децибелах (дБ). Современные системы имеют динамический диапазон свыше 100 дБ.
Области применения
Метод ОКТ нашел широкое применение в различных научных и прикладных областях:
-
Офтальмология: Является "золотым стандартом" для визуализации сетчатки глаза (ретинальная ОКТ) и переднего сегмента (роговица, угол передней камеры). Используется для диагностики глаукомы, возрастной макулярной дегенерации, диабетической ретинопатии.
-
Кардиология и ангиология: Внутрисосудистая ОКТ (IV-OCT) для оценки состояния стенок коронарных артерий, атеросклеротических бляшек, результатов стентирования.
-
Дерматология: Неинвазивная диагностика кожных заболеваний, определение границ опухолей, мониторинг эффективности лечения.
-
Эндоскопия: Интеграция ОКТ-зондов в эндоскопические системы для визуализации желудочно-кишечного тракта, дыхательных путей, мочеполовой системы.
-
Стоматология: Визуализация твердых тканей зуба, выявление кариеса на ранней стадии, оценка качества пломбировочных материалов и адгезии.
-
Промышленный контроль и материаловедение: Неразрушающий контроль микроструктуры полимерных композитов, тонкопленочных покрытий, полупроводниковых элементов и микромеханических устройств.
Оптическая когерентная томография представляет собой мощный и высокоинформативный метод диагностической визуализации, базирующийся на строгих физических принципах интерферометрии. Постоянное развитие технологии, в частности переход от TD-OCT к спектральным domain и swept-source domain системам, привело к значительному улучшению ключевых метрологических показателей: скорости, разрешения и чувствительности. Выбор конкретной конфигурации томографа определяется требованиями решаемой задачи, будь то необходимость сверхвысокого разрешения в офтальмологии или большая глубина проникновения при исследовании биологических тканей с сильным рассеянием.
