השוואה של שיטות איתור והדמיה בשימוש בטומוגרפיה של קוהרנטיות אופטית

פרסומת
X-ray_Promo1


טומוגרפיה קוהרנטית אופטית (OCT) היא טכניקת הדמיה עם יישומים נוכחיים ופוטנציאליים רבים במכשירים רפואיים. השימושים הרפואיים הנפוצים ביותר ב-OCT הם ברפואת עיניים ובאופטומטריה, שבהם משתמשים בדרך כלל ב-OCT לביצוע סריקות חתך או תלת-ממד של המקטעים הקדמיים והאחוריים של העין. תחומים נוספים של פיתוח פעיל כוללים רפואת שיניים, דרמטולוגיה וגסטרואנטרולוגיה [1, 2, 3].
בלוג זה דן בסוגים השונים של OCT ובחלק מטכניקות ההדמיה שהם משתמשים בהם, עם סקירה קצרה של כמה יתרונות וחסרונות של כל אחד מהם.

עקרון ה-OCT

פרסומת

כאשר גלי אור ממקורות שונים חופפים בזמן ובמרחב, הגלים המונחים זה בזה, בדומה לגלים על בריכה. זה נקרא הפרעה אופטית. OCT יכול לאסוף תמונות מבניות תלת-ממדיות עם פתרון עומק מרקמות או חומרים חצי שקופים אחרים על ידי מדידת הפרעות בין אלומת ייחוס של אור לבין כמויות קטנות של אור המוחזרות מתוך הדגימה. OCT הוא כלי רב עוצמה ברפואה שכן הוא מאפשר צפייה במבנים פנימיים בגוף בתלת מימד ברזולוציה תת-מילימטרית. הטכניקה רגישה לאותות קטנים מאוד הנובעים מתוך הרקמה ויכולה לראות עד כמה מילימטרים בעומק פנימה ללא צורך בהכנת רקמות או מגע עם המטופל.

עומק הדמיית ה-OCT המקסימלי מוגבל על ידי עומק החדירה של האור באורך הגל בו נעשה שימוש (כלומר שקיפות/אטימות) ברקמה עקב ספיגה ו/או פיזור. העין האנושית היא מטרה טבעית ל-OCT בגלל השקיפות הגבוהה שלה לאורכי גל קרובים ל-IR מהקרנית ועד לקרקעית הקרקע. דוגמאות לחתכי OCT של העין מוצגות באיורים 1 ו-2. ביישומים מסוימים של OCT, עומק ההדמיה הניתן להשגה לא יגיע למקסימום המותר על ידי שקיפות הרקמה, במקום זאת מוגבל על ידי הספציפיות של שיטת הזיהוי בשימוש.

איור 1 חתך OCT של מקולה בריאה, CC BY-SA 4.0. מָקוֹר.

סוגי טומוגרפיה קוהרנטיות אופטיתאיור 2 חתך OCT של המקטע הקדמי של העין, המראה את הקרנית, הקשתית והעדשה הגבישית עם קטרקט צפוף. CC BY 4.0. מָקוֹר.

כדי לקבל את אות ה-OCT, אור ממקור מחולק לשני נתיבים בעלי אורך כמעט שווה, זרוע "ההפניה" וזרוע "הדגימה". בזרוע הייחוס, האור מוחזר ממראה. בזרוע הדגימה מוחזר/מתפזר אור מרקמות או מדגימה אחרת הנחקרת. האור המוחזר משתי הזרועות משולב מחדש באופן אופטי ואז נפלט על גלאי.

ברוב שיטות ה-OCT, גלי האור משתי הזרועות ייצרו אותות הניתנים למדידה עקב הפרעה רק כאשר אורכי הנתיב של שתי הזרועות כמעט שווים. ניתן להשתמש בתכונה זו כדי להסיק את העומקים שבהם האור מהמדגם הוחזר/פוזר לאחור. לאחר מכן נעשה שימוש בנתונים ליצירת פרופיל עומק של המדגם, הנקרא גם A-scan. על ידי ביצוע סריקות A רבות, ניתן לאסוף תמונות חתך וסריקות נפח תלת-ממדיות של המדגם. סכימה בסיסית של הגדרת OCT מוצגת באיור 3.

איור 3 סכימה בסיסית של הגדרת TD-OCT חד-נקודתית. מָקוֹר; StarFish Medical.

סוגי אוקטובר

קיימות מספר טכניקות שונות לאיסוף אותות OCT הדרושים ליצירת פרופילי עומק. ניתן לחלק טכניקות אלו באופן כללי לטכניקות "תחום זמן" ו"תחום תדר".

בטכניקות "תחום זמן" (TD-OCT), גודל האור החוזר מעומקים שונים של הדגימה מוסקים על ידי שינוי אורך הנתיב של זרוע הייחוס (או באופן שווה ערך, זמן הטיסה של אור זרוע הייחוס) ומדידת ההפרעות בין המדגם לאור הייחוס עבור כל עומק.

בטכניקות "תחום תדר" (FD-OCT), הספקטרום של המדגם המשולב ואור הייחוס נמדד עם זרוע הייחוס באורך קבוע. הפרעה בין אור משתי הזרועות מתבטאת כ"שוליים" בספקטרום הנמדד. הזמן שבו אותות מעומקים שונים בדגימה מגיעים לגלאי ואת גודלם ניתן להסיק מהספקטרום הנמדד באמצעות טרנספורמציה פורייההמתאר מתמטית אות משתנה בזמן (במקרה זה, אור החוזר מהדגימה בעומקים שונים) כפונקציה של המשרעות והפאזות הספקטרליות שלו.

ניתן לחלק עוד יותר את טכניקות תחום התדרים ל-OCT של "תחום ספקטרל" (SD-OCT) ו-"מקור סוחף" OCT (SS-OCT).

ב-SD-OCT, מקור אור פס רחב משמש להארת המדגם. לאחר שילוב מחדש של המדגם וזרועות הייחוס, הספקטרום של האור המוחזר נמדד על ידי פיזור האור על גלאי קו (כגון בספקטרומטר). פרופיל העומק מתקבל לאחר מכן באמצעות טרנספורמציה פורייה של הספקטרום. מכיוון שכל המידע הנדרש ליצירת סריקת עומק כלול בספקטרום הנמדד, ניתן ללכוד סריקות עומק בקצב הפריימים של חיישן הקו.

לעומת זאת, SS-OCT משתמש בלייזר "מקור סחוף" ברוחב פס צר שאורך הגל המרכזי שלו נסחף שוב ושוב על פני טווח של אורכי גל, בתדרי סריקה של עד מאות אלפי פעמים בשנייה. על ידי מדידת אות ההפרעה של האור המשולב מחדש בכל תדר בודד, ניתן למדוד את הספקטרום המלא פעם אחת בכל פעם שהלייזר נסחף. לאחר מכן ניתן לחשב סריקות עומק בדומה ל-SD-OCT.

טכניקות הדמיה ב-OCT

ניתן להשתמש בכל אחת מהשיטות שנדונו לעיל עם מספר טכניקות הדמיה ליצירת סריקות חתך או תלת-ממדיות של הרקמה הנחקרת.

בגישה הנפוצה ביותר, נקודה ממוקדת של אור לייזר נסרקת במהירות על פני הרקמה הניתנת לחקירה (נקראת לפעמים "OCT חד נקודתית"). בכל נקודה אליה מכוון הלייזר נוצר פרופיל עומק. לאחר מכן ניתן ליצור חתך רוחב או סריקה תלת מימדית על ידי מדידת פרופיל העומק בנקודות סמוכות רבות.

טכניקת הדמיה נוספת, המכונה "קו-שדה OCT", מודדת בו-זמנית פרופילי עומק מנקודות רבות סמוכות בקו, כך שכל הנתונים הנדרשים ליצירת תמונת חתך נאספים בו-זמנית. ניתן להשיג זאת על ידי שימוש בחיישן סריקת קו (בעצם חיישן מצלמה 1D) כדי לקבל את האור המשולב מחדש ממספר נקודות דגימה סמוכות על הפיקסלים הסמוכים של החיישן. אותות ההפרעה מכל אחד מהמיקומים הסמוכים נוצרים בו-זמנית על ידי הזזת מראת ההתייחסות (עבור TD-OCT), או על ידי סחיפת אורכי הגל של המקור (עבור SS-OCT). פרופילי העומק המתאימים נוצרים מהפריימים שנלכדו בחיישן סריקת הקו במהלך תנועת המראה/סוויפ אורך הגל.

ניתן להשתמש ב-line-field OCT גם עם SD-OCT בשיטה מעט שונה. במקרה זה, נעשה שימוש בחיישן מצלמה דו מימד. בדומה ל-TD-OCT ו-SD-OCT line-field OCT, פיקסלים סמוכים על ציר אחד של החיישן מקבלים אור משולב מחדש מנקודות סמוכות בדגימה. בציר השני של הגלאי, נעשה שימוש באופטיקה מפזרת (כגון סורג או פריזמה) יחד עם אופטיקה הדמיה מתאימה כדי לפזר את האור אל אורכי הגל המרכיבים אותו, ובכך לאפשר את מדידת הספקטרום מכל נקודה סמוכה. יתרון בשיטה זו הוא שכל מסגרת מצלמה בודדת מכילה את כל המידע הנדרש להפקת תמונת חתך רוחבית מהדגימה, ללא צורך להזיז מראה או לטאטא מקור באורך גל.

לבסוף, OCT בשדה מלא היא טכניקת הדמיה המאפשרת איסוף בו-זמנית של פרופילי עומק על פני נקודות סמוכות רבות באזור דו-ממדי, ובכך מאפשרת לאסוף בו-זמנית את כל הנתונים הנדרשים ליצירת סריקה נפחית תלת-ממדית. בדומה לשיטת סריקת הקו (שאינם SD-OCT), אור משולב מחדש מנקודות סמוכות רבות על פני שטח דו-ממדי של הדגימה מצולם על פיקסלים סמוכים מתאימים בגלאי. על ידי הזזת מראת ההתייחסות / טאטוא מקור אורך הגל, נאספים פרופילי עומק עבור כל הנקודות באזור, אשר משולבים לאחר מכן ליצירת מערך נתונים תלת מימדי. OCT של שדה מלא בדרך כלל אינו מתאים ל-SD-OCT, מכיוון שלא ניתן למדוד את הספקטרום של כל נקודה באזור הדו-ממדי שנחקר בו-זמנית בצורה פשוטה, אם כי גישות חדשות עשויות להתגבר על מגבלה זו.

יתרונות וחסרונות של סוגים שונים של OCT

כל אחד מסוגי ה-OCT הנידונים יכול להיות שימושי בהקשרים שונים, ולכל אחד מהם יש מערך יתרונות וחסרונות משלו. חלק מהיתרונות והחסרונות של כל אחת מהטכניקות מסוכמים בטבלה 1. שימו לב שהדיון הבא מתייחס לגישות טיפוסיות ל-OCT וייתכן שלא יחול על גישות חדשניות יותר.

TD-OCT היא הטכניקה הפשוטה ביותר מבחינה רעיונית. זה בדרך כלל פחות יקר ליישום מאשר טכניקות של תחום תדרים. יש לו גם את עומק ההדמיה הארוך ביותר האפשרי, מוגבל רק על ידי המרחק הקטן יותר שמראה ההתייחסות יכולה לנוע והעומק לתוך המדגם שממנו מוחזר אור בולט מדיד. יתרה מזאת, הרגישות (כלומר מגבלת הזיהוי) לכמות נתונה של אור מוחזר אינה תלויה בעומק הדגימה שבה מקור האור, מה שלא קורה ב-SD-OCT (בהנחה שראיית הייחוס אינה זזה). מצד שני, ניתן להראות של-TD-OCT יש את יחס האות לרעש הכולל הנמוך ביותר מבין השיטות הנידונות (בהנחה שזיהוי מוגבל של רעש ירי) [4]. ל-TD-OCT יש גם את קצב ההדמיה האיטי ביותר (במונחים של הקצב שבו ניתן לאסוף סריקות A) בשל התנועה הנדרשת של מראת הייחוס, אם כי ניתן להפחית זאת במידת מה באמצעות טכניקות הדמיה של קו-שדה ושדה מלא. .

SD-OCT מסוגל בדרך כלל להשיג סריקות A בקצב מהיר בהרבה מ-TD-OCT, מוגבל על ידי קצב הקריאה של החיישן המשמש למדידת הספקטרום (שיכול להגיע למאות KHz). ל-SD-OCT יש גם יחס אות לרעש גדול יותר מ-TD-OCT, בפקטור פרופורציונלי למספר הפיקסלים בגלאי הספקטרלי בשימוש (שוב בהנחה שזיהוי מוגבל של רעש ירי) [4]. להגדרות SD-OCT יש בדרך כלל את הפחות מורכבות…



קישור לכתבת המקור – 2024-05-02 13:00:03

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר