Your SlideShare is downloading. ×
лекция нижгма 2013_лекция 2
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×

Introducing the official SlideShare app

Stunning, full-screen experience for iPhone and Android

Text the download link to your phone

Standard text messaging rates apply

лекция нижгма 2013_лекция 2

165
views

Published on


0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total Views
165
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. СПЕЦКУРС ОПТИЧЕСКИЙ БИОИМИДЖИНГ лекция 2 Турчин Илья Викторович ИПФ РАН, отдел радиофизических методов в медицине НижГМА, научная лаборатория флуоресцентного биомиджинга НИИ БМТ E-mail: ilya@ufp.appl.sci-nnov.ru http://bioimaging.ru/ Тел.: 8(831)4368010 Нижний Новгород 2013
  • 2. Исследование внутренней структуры биотканей оптическими методами Зондирующее излучение Спектральный диапазон Методы оптического биоимиджинга Микроскопия (контраст - показатель преломления, флуорофоры) Глубина исследования 100 -200 микрон Любой: 400-1200 нм (от видимого до ближнего ИК) Оптическая когерентная томография (контраст – показатель рассеяния) 1-2 мм Оптоакустическая томография 2-20 мм (контраст – показатель поглощения) Оптическая диффузионная томография (контраст - показатели рассеяния и поглощения), От нескольких миллиметров до 10 см диффузионная флуоресцентная томография (контраст - флуорофоры), глубина 600-1200 нм (дальнекрасный – ближний ИК диапазоны) 700-950 нм (минимальное поглощение)
  • 3. Исследование внутренней структуры биотканей оптическими методами Зондирующее излучение Спектральный диапазон Методы оптического биоимиджинга Микроскопия (контраст - показатель преломления, флуорофоры) Глубина исследования 100 -200 микрон Любой: 400-1200 нм (от видимого до ближнего ИК) Оптическая когерентная томография (контраст – показатель рассеяния) 1-2 мм Оптоакустическая томография 2-20 мм (контраст – показатель поглощения) Оптическая диффузионная томография (контраст - показатели рассеяния и поглощения), От нескольких миллиметров до 10 см диффузионная флуоресцентная томография (контраст - флуорофоры), глубина 600-1200 нм (дальнекрасный – ближний ИК диапазоны) 700-950 нм (минимальное поглощение)
  • 4. Оптическая когерентная томография Дальнекрасный и ближний инфракрасный диапазон длин волн (650-1300 нм) в приложениях к медицинской диагностике • Неинвазивность (при разумных дозах излучения) •Высокое пространственное разрешение (различные виды микроскопии) • Возможность визуализации на глубине (оптическая томография) • Возможность определения компонентного состава биологических тканей (использование зондирующего излучения на нескольких длинах волн) • Возможность использования оптических контрастов (специфическое окрашивание)
  • 5. Оптическая когерентная томография (ОКТ) • • • • Длина волны – 0.65 - 1.3 мкм Мощность выходного излучения - 1-3 мВт Пространственное разрешение – 1-15 мкм Время получения томограммы – до видеорежима ИПФ РАН a 0.5 mm
  • 6. Формирование двумерного изображения Поперечное сканирование Интенсивность обратно рассеянного излучения Продольное сканирование (глубина) Биоткань
  • 7. Потеря структурности ОКТ изображения – универсальный признак малигнизации норма карцинома голосовая складка мочевой пузырь прямая кишка
  • 8. Применение оптической когерентной томографии Использование оптического волокна позволяет проводить исследования даже в труднодоступных участках
  • 9. Разновидности ОКТ: Доплеровская ОКТ (позволяет визуализировать скорость кровотока) кровотока) Оптическая когерентная микроскопия (позволяет получать изображения биотканей с большим разрешением) разрешением) Спектроскопическая ОКТ (для каждого диапазона длин волн строятся отдельные ОКТ-изображения биотканей, затем ОКТбиотканей, делается комбинированное изображение, изображение, используя сложную цветовую палитру) палитру)
  • 10. Место ОКТ среди стандартных методов биоимиджинга Метод имиджинга Типичное разрешение (микрон) Глубиа визуализации (мм) Цена Скорость Особенности УЗИ 150 150 $$ Видео режим Неинвазивно, акустический контакт МРТ 1000 любая $$$$ Около часа Неинвазивно, бесконтактно КТ 1000 любая $$$ Несколько минут Ионизир. излучение, бесконтактно ОКТ 1-15 1.5 $ Видео режим Неинвазивно, оптический контакт
  • 11. Исследование внутренней структуры биотканей оптическими методами Зондирующее излучение Спектральный диапазон Методы оптического биоимиджинга Микроскопия (контраст - показатель преломления, флуорофоры) Глубина исследования 100 -200 микрон Любой: 400-1200 нм (от видимого до ближнего ИК) Оптическая когерентная томография (контраст – показатель рассеяния) 1-2 мм Оптоакустическая томография 2-20 мм (контраст – показатель поглощения) Оптическая диффузионная томография/спектроскопия (контраст - показатели рассеяния и поглощения), От нескольких миллиметров до 10 см диффузионная флуоресцентная томография (контраст - флуорофоры), глубина 600-1200 нм (дальнекрасный – ближний ИК диапазоны) 700-950 нм (минимальное поглощение)
  • 12. Оптическая диффузионная томография/спектроскопия Ближний инфракрасный диапазон длин волн (700-950 нм) в приложениях к медицинской диагностике • Неинвазивность (при разумных дозах излучения) •Высокое пространственное разрешение (различные виды микроскопии) • Возможность визуализации на глубине (оптическая томография) • Возможность определения компонентного состава биологических тканей (использование зондирующего излучения на нескольких длинах волн) • Возможность использования оптических контрастов (специфическое окрашивание)
  • 13. Оптическая диффузионная томография/спектроскопия Диагностика низкоконтрастных поглощающих новообразований Функциональный имиджинг мозга Диагностика молочной железы CW Импульсный 16 сm Гибридные методы (совмещение с МРТ или КТ) позволяет получить более высокое разрешение Hitachi Brain-Machine Interface (2007)
  • 14. Оптическая диффузионная томография/спектроскопия Численное моделирование траекторий фотонов методом Монте-Карло n1 зондирующий световой пучок R – диффузно отраженный фотон биоткань n2 A – поглощенный фотон n1 Параметры исследуемой биоткани геометрия объекта µs - коэффициент рассеяния µa - коэффициент поглощения p(s,s') - фазовая функция рассеяния g - фактор анизотропии n - показатель преломления T – прошедший фотон
  • 15. Оптическая диффузионная томография/спектроскопия Численное моделирование в задаче функциональной диагностики мозга Спектры поглощения окси- и дезоксигемоглобина Плотность распределения фотонов для различных расстояний источник (И) - приемник (П) И П 0 10 20 30 40 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 40 60 80 И 0 Зависимость сигнала ОДС от расстояния между источником и детектором 0 П 10 20 30 40 -80 -60 -40 -20 0 20 И 0 П 10 20 30 40 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
  • 16. Ручной оптический сканер для диагностики рака молочной железы Pham, TH., et al. Review of Scientific Instruments, 71 , 1 – 14, (2000). Bevilacqua, F., et al. Applied Optics, 39, 6498-6507, (2000). Tromberg et al. Neoplasia, 2, 26 (2000) 0,1 Вода µa, мм-1 Жир 0,0 1 HbR HbOx 0,001 0.0001 650 700 750 800 850 900 Длина волны, нм 950 1000 Компоненты биотканей (окси-, дезоксигемоглобин, жир, вода) имеют известные спектральные зависимости показателя поглощения
  • 17. КРОВЕНОСНАЯ КРОВЕНОСНАЯ СИСТЕМА СИСТЕМА Информация о функциональном состоянии биоткани [Hb-R] [Hb-R] THC = [Hb-R] + [Hb-O2]] THC = [Hb-R] + [Hb-O2 Кровенаполнение [Hb-O2]] [Hb-O2 StO2 = StO2 = [Hb-O2] THC ТКАНЬ ТКАНЬ Оксигенация крови [H2O] [H2O] Показатель Показатель рассеяния рассеяния Плотность Плотность жировой ткани жировой ткани http://www.biop.dk/biophot03/Notes/tromberg.htm#Presentation клетки, коллаген, жир
  • 18. Измерение «оптического индекса» [H2O], [THC]↑ Жир, StO2↓ И Д Д И Д И Д И Д И Д И И Поверхность ткани Д Опухоль 100 0.12 Оптический индекс (Норма)l Оптический индекс (опухоль) 80 StO 2 (%) 60 Норма Опухоль 40 Гемоглобин (µM) 20 ( [ H2 O ] x [THC] ) / ( St O2 x [ Lipid ] ) Оптический индекс Концентрация жира (%) 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 вода (%) 0 0 1 2 3 4 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Позиция сканера (1.0 cm) http://www.biop.dk/biophot03/Notes/tromberg.htm#Presentation 0 1 2 3 4 5 6 Позиция сканера 7 8 9 10
  • 19. Контраст опухолевых тканей при различных методах визуализации http://www.biop.dk/biophotonics07/School/School.asp
  • 20. Оптическая диффузионная томография молочной железы Brian Pogue, Keith Paulsen and coworkers Near Infrared Imaging Group, Thayer School of Engineering Dartmouth College http://www.biop.dk/biophotonics07/School/School.asp
  • 21. Гибридные системы: ДОТ+МРТ для диагностики молочной железы МРТ обеспечивает реконструкцию структуры биотканей, ДОТ – оптических показателей http://www.biop.dk/biophotonics07/School/School.asp
  • 22. Контраст объекта (%) Томография и метод проекций томография маммография Линии соответствуют минимально детектируемому контрасту для каждого размера Размер объекта (мм) http://www.biop.dk/biophotonics07/School/School.asp
  • 23. Оптическая диффузионная спектроскопия (ОДС) – оптическая маммография (метод проекций) Показатель насыщения Коэффициент крови кислородом, % рассеяния, 1/см Молочная железа в норме 50 40 30 20 10 0 ИПФ РАН 0 10 20 30 40 40 50 100 Карцинома молочной железы 50 40 30 20 10 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 90
  • 24. Оптическая диффузионная спектроскопия (ОДС) наночастицы как контрастирующие агенты в ОДС Спектры поглощения и рассеяния наночастиц золота и кремния ОДС изображение оптического фантома биоткани (λ = 802 нм) без наночастиц наночастицы Type 1(GNp) Type 1 (GNp): суспензия золотых наночастиц размером 30-100 нм; Type 2 (GNp): суспензия золотых наночастиц размером 30-100 нм с фракцией наностержней длиной 30-50 нм и соотношением длина:ширина равным 3:1 Type 3 (GNr): суспензия золотых наностержней длиной 30-50 нм и соотношением длина:ширина наночастицы равным 3:1; Type 2(GNp) Type 4 (Si): суспензия кремниевых наночастиц размером 50-200 нм
  • 25. Институт прикладной физики РАН, лаборатория биофтоники – разработка методов оптического биоимиджинга микроскопия Оптоакустика Диффузионная флуоресцентная томография Диффузионная спектроскопия Ультрамикроскопия (a) 50 40 30 20 10 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 90 (b)