• Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
  • Mari, vou precisar da sua apresentação para entender o OCT.
    Vi essa apresentação em 2010 e sei que é boa.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to like this
No Downloads

Views

Total Views
1,816
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1

Actions

Shares
Downloads
60
Comments
1
Likes
0

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. Tomografia por Coerência Óptica:Princípios, Técnicas e Aplicações Seminário do grupo de Biofotônica Mariana T. Carvalho 11 de Março de 2010
  • 2. Sumário • Histórico• Princípios básicos • Aplicações
  • 3. OCT - Optical Coherence Tomography Vitreous NFL Optic Disc Fovea 250 µmPhotoreceptors Choriocapillars i 250 µm Log Reflectione sm om epiglottis fatdista 1 mm proximall
  • 4. Primeira demonstração de OCT (1991)Retina humanaex vivo e histologiacorrespondenteD. Huang, et al,Science 254, 1178(1991)
  • 5. Science 254(2) p1178 1991
  • 6. História do OCT1991 Demonstração do OCT in vitro1993 Primeiras imagens in vivo da retina1994 Transferência da tecnologia para Humphrey Instruments1995 Início dos estudos clínicos (glaucoma, AMD, retinopatia diabética)1996 Introdução do instrumento comercial do OCT oftalmológico1999 Aproximadamente 200 unidades vendidas2000 Introdução do OCT2, 2ª geração do instrumento do OCT oftalmológico2002 Introdução do StratusOCT, 3ª geração
  • 7. RetinografiaFoto da superfície da Retina – Pode não mostrar sinaisimportantes para o diagnóstico de doenças oftálmicas
  • 8. OCT Oftalmológico Carl Zeiss MeditecOCT1 (1996) OCT2 (2000) Stratus OCT3 (2002)
  • 9. OCTPrincípios
  • 10. Optical Coherence Tomography (OCT) Imagem usando “ecos” de luz Intervalo de tempo Método de diagnóstico por entre os pulsos Luz incidenteimagem, capaz de observara microestrutura interna dos tecidos biológicos.Baseado na interferometria Intervalo de tempo = de baixa coerência para Distância x Velocidade medir o atraso entre os “ecos” (pulsos) de luz. A tomografiaA capacidade da TCO de óptica é similargerar imagem de tecidos ao ultra-som domoles e duros sem haver mododano ao paciente, a torna B, utilizandode grande interesse para ondas de luz ao essa área. invés de ondas Tecido / espécime sonoras.
  • 11. Imagem de OCT da secção transversal Varredura transversal B-scan Luz retroespalhada Varredura axial (Profundidade) A-scan Amostra de tecido biológicoHuang, et al, Science, 254 (1991)
  • 12. Interferometria
  • 13. • Um interferômetro funciona pelo princípio que duas ondas que coincidam com a mesma fase irão amplificar-se mutuamente, enquanto que se ela estiverem com fases opostas (90º de diferença) irão cancelar- se.• Fontes de luz: – Monocromáticas: “único” comprimento de onda. – Policromáticas: vários comprimentos de onda (espectro largo ou várias linhas). – Luz branca: fonte com todo espectro de luz visível ou combinação de vermelho, verde e azul dando a impressão visual de branco. A luz branca de espectro largo tem comprimento de coerência muito pequeno (alguns micrometros). – Coerência: propriedade das ondas que as permite exibir interferência. O grau de coerência mede a qualidade da interferência. • Coerência temporal, mede quão bem uma onda pode interferir com ela mesma em tempos diferentes, O comprimento de coerência é definido pela distância que a onda percorre durante o tempo de coerência.• Alguns tipos de interferômetros: Michelson, Mach-Zehnder, Fabry- Perrót, ...
  • 14. Geração da imagem Varredura transversal Luz retroespalhada Varredura axial (Profundidade) Amostra Transversal Transversal Transversal x PRIORIDADE NA DIREÇÃO x PRIORIDADE NA DIREÇÃO x AXIAL TRANSVERSAL EN FACEFeixe Feixe Feixeincidente incidente incidente z z z Axial Axial Axial (Profundidade) (Profundidade) (Profundidade) y y y
  • 15. Comparada a outras técnicas para a geração de imagens na medicina 1 mm Padrões Clínicos ULTRA-SOM RESOLUÇÃO [log] 100 m Alta Freqüência 10 m TOMOGRAFIA POR COERÊNCIA ÓPTICA 1 m MICROSCOPIA CONFOCAL 100 mm 1 mm 1 cm 10 cm PROFUNDIDADE DA IMAGEM [log] Todas as técnicas de geração de imagem são complementares, cada uma atua melhor em uma região específica
  • 16. Limites de Resolução• Axial – Comprimento de coerência da luz: 2ln 2 2 z  0 Δz  Assumindo: Espectro Gaussiano, meio não dispersivo Δx• Transversal – Abertura numérica do foco (lente): 2b 4f x  2 0   Pequena AN  d 2√2ωc Grande AN Δlc Δlc• Sensibilidade: zR 2 ωc b b  P  SNR  10 log zR   2hNEB Inverso da refletividade, na qual SNR é igual a 1
  • 17. Largura de Banda – Resolução Axial 2ln 2 2 z  0  z… Comprimento de coerênciao… Comprimento de onda central… Largura de banda à meia altura (FWHM)Assumindo:Espectro Gaussiano, meio não dispesivo
  • 18. Fonte de luz x Resolução do OCT Ti:SapphirePower Spectral Density (a.u.) 260 nm SLD 32 nm 650 700 750 800 850 900 950 1000 Wavelength (nm) Intensity (a.u.) 11.5 µm 1.5 µm -12 -8 -4 0 -4 -8 +12 Delay (µm)
  • 19. Como funciona? I  I1  I 2  2 I1I 2 cos(2  ) variando  variando   – atraso no caminho óptico  - freqüência óptica Time domain Spectral/Fourier domainOptical Coherence Optical Coherence Tomography: Tomography:
  • 20. Interferometria de baixa coerência OCT – domínio do tempo λ 2 Referência (móvel) L Fonte Amostra Luminosa λ 2 Divisor de Feixes z Detector LIntervalos de tempo entre os ecos da luz refletida são medidos por correlação
  • 21. Sistema para fazer imagens com OCT Circulador Sonda OCTFonte de Luz de 1 2Baixa Coerência 3 50/50 Amostra Feixe guia 90/10 Controle deDetector +_ Polarização Linha de atraso de alta velocidade • Galvanômetro com braço e Filtro espelho de canto de cubo; Demodulador Computador passa-banda • Roda dentada; • Fast Fourier Scanning; •…
  • 22. Sistema para fazer imagens com OCT Fonte de Banda H2O Espelho de larga referência D1 BK7 FSFiltro passa-banda - Demodulator (eletrônica) + D2 Sistema de varredura PC Detecção Varredura Balanceada Transversal Ocular Divisor de Objetiva de feixes visualização da lâmpada de fenda Plano de imagem da lâmpada de Fenda
  • 23. Princípios I  I1  I 2  2 I1I 2 cos( )I ( )  I1 ( )  I 2 ( )  2 I1 ( ) I 2 ( ) cos( ) 1. Laser sintonizável (open- cavity, dye, etc…) – OFDR, Swept Source OCT; 2. Espectrômetro – Spectral Radar, Spectral OCT
  • 24. Interferometria no domínio Fourier/Espectral Espectro da Interferência Referência c/2L (parada) AmostraFonte comBanda larga frequência Transformada de Fourier Divisor De feixes L Espectrômetro frequência ~ distância
  • 25. Interferometria no domínio Fourier/Espectral Espectro da Interferência Referência c/2L (parada) AmostraFonte comBanda larga frequência Transformada de Fourier Divisor De feixes L Espectrômetro frequência ~ distância
  • 26. Interferometria no domínio Fourier/Espectral Espectro da Interferência Referência c/2L (parada) AmostraFonte comBanda larga frequência Transformada de Fourier Divisor De feixes L Espectrômetro frequência ~ distância
  • 27. Princípio básico de funcionamento da tomografia por coerência óptica espectral Espelho de referência fixo Amostra + Fonte combanda larga = Divisor FFT de L Amplitude feixes + Espectrômetro Distância
  • 28. High Speed, UHR-OCT Spectral bandwidth Point spread functionAxial image Resolution: ∆z = 2ln(2)λ02/(π∆λ)2.6 µm in air, ~2 µm in the retina
  • 29. Limitações da técnica – Resolução do espectrômetroShort Delays - Long Delays -Low frequency fringes High frequency fringes
  • 30. Limitações da técnica – Resolução do espectrômetro Short Delays - Long Delays - Low frequency fringes High frequency fringesLower fringe amplitude / bandwidth for high frequencyfringes
  • 31. Perda de Sensitividade e Resolução com a posição axial
  • 32. Perda de Sensitividade e Resolução com a posição axial Sensitividade vs posição axial Resolução vs posição axial Distância útilA distância útil para a imagem é limitada pela perda desensitividade
  • 33. Limitações da técnica – Sensitividade e resolução variando com a profundidade Resolução do espectrômetroLimite de profundidade de 1.5 mm Mapeamento não linear deVariação de 14 dB em sensitividade comprimento de onda paraResolução degrada-se de 3 µm para freqüência4 µm Tamanho dos pixels Cross talk entre os pixels
  • 34. Imagens conjugadasI  2 I1I 2 cos(2  0 )  I1I 2 exp( i 2  0 )  exp( -i 2  0 ) FT (I ) O alinhamento do instrumento é muito importante O sistema não distingue entre atrasos positivos e negativos Artefatos – imagem conjugada – podem ocorrer -0 0 
  • 35. Geração de imagens por tomografia por coerência óptica espectral Espelho de referência Fonte de Banda fixo Larga (Laser/SLDs) Filtro Espectrômetro + BK7 FS Câmera CCD Sistema de varredura Varredura Transversal Computador Amostra
  • 36. Imagens oftalmológicas Espelho de Fonte de referência fixoBanda Larga H2O Filtro Espectrômetro + BK7 FS Câmera CCD Sistema de varredura Varredura Transversal Ocular Divisor de feixes Objetiva de visualização da lâmpada de fenda Plano de imagem da lâmpada de Fenda computador
  • 37. OCT: Imagem OftalmológicaCâmara Anterior cornea sclera iris lensRetina fovea optic disc 250 µm
  • 38. temporal nasal 250 µm 10 µm resolução axial 250 µm 3 µm resolução axialW. Drexler, et al. Nature Medicine (2001)
  • 39. Imagens de alta definição High speed UHR-OCT ILM NFL GCL2048 x 1024 pixel IPL INL OPL0.13 sec ONL ELM IS/OS RPE/Choroid UHR-OCT NFL GCL600 x 1024 pixel IPL INL OPL4 sec ONL ELM IS/OS RPE/Choroid Temporal Nasal
  • 40. High Speed UHR-OCT usando a detecção no domínio Espectral/FourierVantagens: Desvantagens:• 20dB de aumento em • Em medidas de baixa sensitividade comparado ao velocidade, o padrão de franjas OCT padrão ou 100 vezes mais espectrais se cancela (média) rápido com a mesma • Sensitividade diminui com a sensitividade profundidade• Aquisição de dados totalmente • Resolução diminui com a digital (acesso direto ao profundidade espectro) • Presença de artefatos de• Mais sensível à fase do padrão coerência (autocorrelation terms) de franjas espectrais (permitindo medir Doppler) • Presença de imagem conjugada após FFT
  • 41. Qualidade da imagem ILM NFL Plexiforme Interna IPL Camada Nuclear Interna INL OPL Plexiforme Externa ONL Camada Nuclear Externa ELM ELM IS/OS Cones e Bastonetes RPE Epitélio pigmentado Coróide Esclera
  • 42. Arquitetura Morfológica da Retina Nerve Fiber Layer (NFL) (Camada de fibras nervosas) Ganglion Cell Layer (CGL) (Camada de células glaglionares) Ganglion Cells(células ganglionares) Inner Plexiform Layer (IPL) (plexiforme interna) Inner Nuclear Layer (INL) (Camada nuclear interna) Bipolar Cells(células bipolares) Outer Plexiform Layer (OPL) (plexiforme externa) External Limiting Outer Nuclear Layer (ONL) Rod and Cone (Camada nuclear externa) Membrane (ELM) (Membrana externa) Receptors (fotoreceptores Photoreceptor Inner Segment (IS) (segmento interno dos fotorreceptores)cone e bastonetes) Photoreceptor Outer Segment (OS) (segmento externo dos fotorreceptores) Retinal Pigment Epithelium Retinal Pigment Epithelium (RPE) (epitélio pigmentar da retina) (epitélio pigmentar da retina) Müller Cell (células de Müller)
  • 43. Aplicações diversas• TCO em oftalmologia• TCO em dermatologia• Outras aplicações médicas• Biópsia óptica• TCO em odontologia• Outras aplicações
  • 44. Imagens de tomografia por coerência óptica espectral em pequenos animaisFonte de Espelho deBanda Larga referência fixo(Laser/SLDs) Filtro BK7 FS Varredura Espectrômetro Sistema de Transversal + Câmera CCD varredura computador
  • 45. Odontologia Linha de atraso rápida de Fourier Amostra Laser em 830 nm detector Esmalte Dentina Câmara pulpar 100 μmRecife, 31 de Outubro Tese de Doutorado - Mariana Torres 45
  • 46. Resultados Câmara Pulpar canal radicular Dentina 100 µm Esmalte 400 μm acima do canal radicular Câmara Dentina Pulpar 100 µm Esmalte Esmalte Dentina Coroa 100 µmRecife, 31 de Outubro Tese de Doutorado - Mariana Torres 46
  • 47. Geração de imagens por tomografia por coerência óptica com fonte de freqüência variável Fonte com freqüência variável circulador Espelho deTrigger para varredura do laser 1 2 referencia Fotodiodo I 3 Acoplador Filtro FP de referência 50GHz Fotodiodo II Óptica de Amostra + - varredura xy Fotodiodo de calibração Amplificador diferencial Passa-banda eletrônico 10 - 40 MHz - Recalibração NI 5122 conversor A/D - FFT (2-ch,) 100 M-amostra/s PC - Criação da imagem
  • 48. SC SC ED DEJ N1mm 20kHz 20kHz 1mm SC SD DEJ1mm 20kHz 27kHz 1mm SC: stratum corneum DEJ: DE junction N: nail SD: sweat duct ED: epidermis
  • 49. Biópsia ÓpticaDefinição: A imagem in situ damicroestrutura do tecido com umaresolução aproximada da histologia, massem a necessidade de extrair ou deprocessamento do tecido.
  • 50. Imagem longitudinal do embrião do peixe zebra em desenvolvimentoZygote Cleavage 16 cell HighShield 10-somite Prim5 Prim5
  • 51. Resolução sub-celular do OCT In vivo 100µm 1 x 3 µm (long. x trans.) Girino do 0.75 x 0.5 mm Xenopus laevis 1700 x 1000 pixels (Rã Africana)W. Drexler, et al.Opt. Lett. (1999)
  • 52. OCT Endoscópico Esôfago Estômago Intestino delgado Cólon RetoM.V. Sivak, et al, Gastrointestinal Endoscopy 2000: 51, 474 Case Western Group
  • 53. OCT endoscópico comercial Imagens endoscópicas e broncoscópicas – parceria com Pentax Imagem intravascular Empresa adquirida pela Goodman, Ltd.
  • 54. Artéria humana In vivoProf. E. Grube - Siegburg Heart CenterLightLab Imaging 0.014” ImageWire
  • 55. Imagem de OCT Endoscópica Beam Housing catheter on pennyA sonda é introduzida pelaporta de biopsia através deum endoscópio padrão.
  • 56. Esôfago normal e pré-cancerígeno Normal Barrett’sEndoscopy Biopsy Histology Endoscopy Biopsy Histology Barrett’s Epithelium OCT Catheter 250 µm 500 µm Catheter Sheath c ep lp mm sm g mpOCT 500 m OCT 500 mep: epithelium lp: lamina propria c: crypts g: glandsmm: muscularis mucosa sm: submucosamp: muscularis propria Li, et al, Endoscopy 32, (2000)
  • 57. Câncer de cólon Ex vivo Normal Colon Ulcerative Colitis Adenocarcinoma m u mm v 500 μm 500 μm 500 μmC. Pitris, et al, J. Gastroenterology 35, 87 (2000)
  • 58. OCT em Broncoscopia Normal bronchus Edema Carcinoma E SM C (epithelium E, submucosa SM, cartilage C)N. Gladkova, et al, Nishny Novgorod Group
  • 59. Análise de restaurações dentárias Espelho móvel de referência Fonte AcopladorSistema de 50/50detecção 100 μm Fenda Laser Espelho de Detector referência 150 μm Amostra
  • 60. Análise de restaurações dentárias Fenda Superfície Ar / Esmalte 0,0025 Superfície 0,0020 ar / esmalte Fenda Fenda 120um 120μmIntensidade (ua) 0,0015 0,0010 0,0005 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Profundidade (mm)
  • 61. Conclusões• Técnica não invasiva de diagnóstico• OCT consegue visualizar patologias com resolução inédita• Melhoria no entendimento de patogêneses• Promessa de melhoria para medidas quantitativas• Pode acompanhar a progressão de doenças
  • 62. "A mente que se abre a uma nova idéiajamais voltará ao seu tamanho original" Albert Einstein