1. СПЕЦКУРС
«Многофункциональная оптическая когерентная
томография: физический принцип и сферы применения»
Лекция 4.
Многофункциональная оптическая когерентная томография:
сферы применения
Сироткина Марина Александровна, к.б.н., н.с. НИИ БМТ НижГМА
Гладкова Наталья Дорофеевна , д.м.н, профессор, зам. директора по науке НИИ БМТ НижГМА
Нижний Новгород - 2015
2. Место ОКТ среди других методов визуализации
ОКТ занимает нишу
между УЗИ и
конфокальной
микроскопией.
Преимущества ОКТ
над УЗИ состоят в
лучшем
пространственном
разрешении
(единицы мкм), а
перед микроскопией
– в большей глубине
проникновения
(единицы мм).
4. ВЧ УЗИ
ОКТ
Стенка пищевода
• ОКТ- метод визуализации микроструктуры биологических
тканей на глубину до 2 х мм с высоким пространственным
разрешением 10-15 мкм, основанный на принципе
низкокогерентной интерферометрии, использующий свет
ближнего ИК-диапазона
• ОКТ- изображение представляет собой карту в поперечном
сечении коэффициента обратного рассеяния оптического
излучения как функции глубины и боковой координаты
6. Двумерное ОКТ-изображение: набор А-сканов
Поперечное сканирование
«Руководство по ОКТ». Ред. Гладкова НД и др. 2007
соединительнотканная строма
эпителий
1 мм
0.5 mm
B-скан (двумерное изображение)
А-скан
эпителий
соединительнотканная строма
0дБ
54дБ
Мощность обратно рассеянного излучения –
ОКТ-сигнал
Продольноесканирование
(глубина)
Серия А-сканов ОКТ-сигнала
А-скан
7. Москва, «Физматлит»,
«Медкнига», 2007, 298.
1994 – первое OКТ изображение кожи пальца
1999 – Государственная премия РФ в области науки
и техники по физике
2005 – сертификация ОКТ-устройства в России
2007 – вышло руководство по ОКТ
История развития метода ОКТ в России
Профессор д.м.н. Гладкова Н.Д
д.м.н. Шахова Н.М.
Член-корр. РАН
Сергеев А.М.
Д.ф-м.н. Геликонов В.М.
К.ф-м.г Геликонов Г.В.
12. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ
КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ
(ИПФ РАН, отделение нелинейной динамики и оптики, г. Нижний Новгород)
•Рабочая длина волны - 1.3 мкм;
•Разрешение - 15 мкм;
•Диапазон сканирования по глубине ~ 1.7 мм;
•Размер области сканирования 4х4 мм;
•Скорость получения изображения ~ 10
кадров/с;
ОКТ-зонд Гибкое
оптическое
волокно
Позволяет изучать:
Поляризационные свойства тканей
Микроциркуляцию в ткани без
использования дополнительных маркеров
Вязкоупругие свойства тканей
Проведение комплексного
мониторинга совокупности
процессов, происходящих
внутри биоткани
14. Экспериментальная
опухолевая модель на ухе
Мышиная карцинома
кишечника CT-26
Поверхностный локализация
опухоли
Подходящая модель для КП
ОКТ
Оптимальная модель для МА
ОКТ
Здоровое ухо мыши
2
4
5
6
1
3
4 6
Исходная поляризация
Ортогональная поляризация
КП OКT 4x4ммМА ОКТ 2x2мм
(1) хрящ;
(2) адипоциты;
(3) мышца;
(4) дерма;
(5) Кожные придатки;
(6) эпидермис;
(7) Опухолевая ткань
МА OКT 2x2мм
Опухолевая модель СТ26
4
75
6
1
14й день роста
3,6x3,1x1,6mm
КП OКT 4x4мм
15. Понятие спекла и поведение спеклов в ОКТ
Axial
resolutionLax
Два рассеивателя в объеме
когерентности:
Электромагнитная волна:
Волны приходят на
приемник в фазе, пятно
яркое:
Спекл – результат интерференции волн, рассеянных двумя
рассеивателями, находящихся в пределах элемента разрешения. Сдвиг
фаз между волнами определяется расстоянием между рассеивателями.
Волны приходят на
приемник в противофазе,
пятно темное:
16. Понятие спекла и поведение спеклов в ОКТ
Axial
resolutionLax
Два рассеивателя в объеме
когерентности:
Электромагнитная волна:
Волны приходят на
приемник в фазе, пятно
яркое:
Спекл – результат интерференции волн, рассеянных двумя
рассеивателями, находящихся в пределах элемента разрешения. Сдвиг
фаз между волнами определяется расстоянием между рассеивателями.
Волны приходят на
приемник в противофазе,
пятно темное:
17. Особенности ОКТ изображений. Понятие спекла и
поведение спеклов в ОКТ
Символическое распределение
рассеивателей внутри каждого из
элементов разрешения:
Элементарный объем
(элемент разрешения).
По вертикали определяется длиной
когерентности.
Формируемое изображение,
символическая спекл-структура:
Волны от рассеивателей сложились в
противофазе (полное подавление)
Волны от рассеивателей частично подавили
друг друга
Волны от рассеивателей сложились
в фазе (яркое пятно)
18. Неподвижные
рассеиватели
Процесс записи ОКТ микроангиограмм
Схематически показана спекловая картина до и после фильтрации
Движущиеся
рассеиватели После фильтрации остаются только мигающие
спеклы (движущиеся рассеиватели)
Направление вдоль оси Х
НаправлениевдольосиУ
LINE1
LINE2
LINE3
...
Площадь сечения одного плотного В-скана
…
…
…
…
…
…
…
…
Особенности:
1) Отдельные В-сканы не перекрываются;
2) Отдельные А-сканы в В-скане сильно
перекрываются;
3) Каждый В-скан, состоящий из плотной записи
А-сканов, записывается только 1 раз.
19. Визуализация сосудов методом ОКТ
С помощью фазовой фильтрации можно разделять сосуды
по скорости мигания спеклов
60 Гц 40 Гц
320 Гц 160 Гц
Размер изображений 2x2 мм
640 Гц
Только «быстрые сосуды»
30 Гц
«быстрые» + «медленные»
д.м.н.
20. Артериоллы: 10~200 мкм, 2~15 мм/с
Капилляры: ~10 мкм, 0~1.5 мм/с
Венулы: 10~200 мкм, 2~3 мм/с
Нормальные и патологические
кровеносные сосуды
( непредсказуемые, хаотичные,
извилистые, со слепыми концами)
from: McDonald and Choyke Nat. Medicine (2003)
Венулы
Капилляры
Артериоллы
Задача: получить подобные изображения на живом объекте!
норма опухоль
25. Развитие сосудистой сети в процессе
естественного роста опухоли CТ-26 на ухе
5 дней 7 дней 9 дней
11 дней 14 дней
26. 5дней 6 дней 7 дней 10 дней
Развитие сосудистой сети в процессе
естественного роста опухоли CТ-26 на ухе
Спонтанный регресс опухоли!
27. Опухоль CТ-26 на ухе. 10 день роста
Хорошо васкуляризированная опухоль
Плохо васкуляризированная опухоль
3.1х1.9мм 3.2х1.5мм 3.4х1.6 мм 4.3х1.5мм
2.7х1.9мм 2х1.8мм 1.4х1.1мм 2х2мм
Разнообразие сосудистой сети в опухоли
в зависимости о размера узла
Ни одна плохо васкуляризированная пухоль не отреагировала на ФДТ!
28. 1. Введение в организм
фотосенсебилизатора
Этапы Фотодинамической терапии
2. Избирательное накопление в опухоли:
сосудах, клетках, межклеточном веществе
О2*О2 Переход
Повреждение
опухоли
3. Облучение лазером
29. ФДТ на мышиной модели CT-26
Опухоль CT-26
локализованная на ухе
Фотодитазин (Хлорин e6), в.в.
5мг/кг
Режим облучения: 662нм,
75Дж/см2, 170мВт/cм2
До ФДТ 1д после ФДТ 2д после ФДТ
Полнокровие сосудов
Стаз
Тромбоз
Кровоизлияние
Необратимое исчезновение сосудов на МА ОКТ
50µm
30. До ФДТ
1 сутки после ФДТ 2 суток после ФДТ
3,4х1,6 мм 3,7х2,1 мм
Обратимая реакция сосудистой сети на ФДТ с частичным
восстановлением сосудов на 2-е сутки
Мониторинг ФДТ опухоли СТ-26 методом ОКТ
75Дж/см2: 170мВт/см2
31. До ФДТ 1 сутки после ФДТ 2 суток после ФДТ
3,2х1,5 мм 3,4х1,5 мм
НЕТ реакции сосудистой сети на ФДТ
Мониторинг ФДТ опухоли СТ-26 методом ОКТ
75Дж/см2: 170мВт/см2
34. 37
Эластография
Пальпация – прощупывание мягких
тканей с целью обнаружения более
«жестких» включений.
Пальпация основана на осязательном
ощущении, возникающем при
движении и давлении пальцев или
ладони ощупывающей руки.
Эластография – визуализация
неоднородностей мягких тканей по их
«жесткостным» свойствам.
Эластография основана на обработке
изображений или сигналов,
получаемых с помощью различных
диагностических техник (УЗИ, МРТ,
ОКТ…)
35. 38
более жесткая ткань
менее жесткая ткань
Одностороннее сдавливание УЗИ зондом вызывает вблизи поверхности зонда
различные деформации в областях с различной жесткостью
Эти различия оцениваются по характеру изменения рассеянного ультразвукового
сигнала от этих областей. Важно обнаружить не просто смещение некоторой области в
целом, а именно деформацию.
Аналогичную информацию можно извлечь из ОКТ изображений
Эластография в УЗИ – пальпация с
помощью прибора
УЗИ
зонд УЗИ
зонд
36. 39
Демонстрация ОКТ-эластографии
Жесткий слой
Мягкий слой
Двухслойный фантом: верхний слой – мягкий, нижний слой - жесткий
ОКТ изображение
Начальное состояние
Среднее по 10
изображениям
Изображение рогового слоя кожи пальца
ОКТ изображение
(начальное состояние)
Среднее по 5 ти
изображениям
Постепенное сжатие
Постепенное сжатие
37. Эластография в ОКТ
на примере атеросклероза
Здоровая стенка
легочной артерии
Атеросклетротическая
бляшка с фиброзной
капсулой и липидным
ядром
Атеросклетротическая
бляшка со скоплением
кристаллов кальция
