Optyczna koherentna tomografia dopplerowska

Optyczna koherentna tomografia dopplerowska
Zamiar	obrazy tkanki za pomocą światła rozproszonego wstecznie

Optyczna koherentna tomografia (OCT) to technika, która wyświetla obrazy tkanki za pomocą światła rozproszonego wstecznie .

Nie tylko zachowując doskonałość OCT, optyczna koherentna tomografia dopplerowska łączy w sobie również zasadę efektu Dopplera jako całość, co skutkuje obrazami tomograficznymi o wysokiej rozdzielczości.

Historia

Ze względu na uznane znaczenie nieinwazyjnych technik obrazowania w medycynie, zwłaszcza w obrazowaniu przepływu krwi in vivo , OCT stała się ostatnio popularnym tematem badawczym. Dopplerowska optyczna koherentna tomografia nie tylko zachowuje doskonałość OCT, ale także łączy zasadę efektu Dopplera jako całość, co skutkuje obrazami tomograficznymi o wysokiej rozdzielczości ze statycznymi i ruchomymi składnikami.

odnotowano pierwsze zastosowanie bramkowania koherencyjnego do zlokalizowanej prędkości przepływu . Autor tego artykułu zmierzył jednowymiarową prędkość przepływu cząstek , która powalała w pomiarach bramkowania koherencji. Naukowcy nadal znajdują sposoby mierzenia prędkości w dwóch wymiarach, a pierwszy wynik został zgłoszony w 1997 r., gdzie opisano użycie spektrogramu w wykonywaniu DOCT in vivo. Te same wady występują przy stosowaniu metody spektrogramu do obrazowania struktury tkanki i prędkości przepływu in vivo, ponieważ OCT w domenie widmowej jest ograniczone do szybkiego obrazowania. Fazowo-rozdzielczy Doppler OCT, oparty na wynalezieniu OCT w domenie Fouriera, został wynaleziony w celu przezwyciężenia tych ograniczeń.

Istnieją dwa rodzaje Dopplera OCT: OCT Dopplera w domenie czasu i OCT Dopplera w domenie Fouriera . Podstawowa zasada Dopplera OCT z rozdzielczością fazową wykorzystuje zmianę fazy między sekwencyjnymi skanami linii A do prędkości . Korzystając z tej zasady, prędkość skanowania jest znacznie zwiększona. Oddzielając rozdzielczość przestrzenną i czułość prędkości w obrazach przepływu, ponownie zwiększa szybkość obrazowania. Ta poprawa wskazuje na wyraźny wzrost szybkości i czułości skanowania, co umożliwia obrazowanie mikrokrążenia tkankowego in vivo w ludzkiej skórze. Ze względu na wyjątkowo wysoką rozdzielczość przestrzenną i czułość na prędkość, Doppler OCT ma swoją pozycję w dziedzinie badań biomedycznych i medycyny klinicznej.

Zasady Dopplera OCT

Optyczny tomogram koherentny opuszki palca. Możliwe jest obserwowanie gruczołów potowych, mających „wygląd korkociągu”

Dopplerowska optyczna koherentna tomografia jest rozszerzeniem OCT, w którym łączy zasadę efektu Dopplera w celu uzyskania obrazów tomograficznych o wysokiej rozdzielczości w tkankach biologicznych. A ze względu na wysoką rozdzielczość i czułość prędkości istnieje wiele zastosowań w medycynie. Podstawowe zjawisko Dopplera OCT można wyjaśnić poniżej. źródła światła instrumentu i wchodzi do medium. Światło uderza w poruszające się cząstki i jest rozpraszane wstecz od próbki. Następnie światło interferuje ze światłem w wiązce odniesienia, powodując przesunięcie częstotliwości Dopplera w prążku interferencyjnym: ${\ displaystyle F_ {D}}$

${\ Displaystyle F_ {D} \ lewo (v \ prawo) = \ lewo [\ lewo ({\ frac {1}{2\pi }}\right)\right]\cdot (v)(k_{o}-k_{i})\qquad \quad (1)}$

gdzie $\ displaystyle k_ {i}}$ { $i$ są padającego i rozproszonego światła, a v to prędkość poruszającej się cząstki wykrywanej przez instrument. Doppler OCT mierzy światło wstecznie rozproszone z próbki medium. Kąt między przepływem cząstek a padającą wiązką światła definiuje się jako θ, a następnie upraszcza się przesunięcie Dopplera

${\ Displaystyle F_ {D} \ lewo (\ teta \ prawo) = \ lewo [\ lewo ({\ Frac {2Vcos \ teta} {\lambda}}\right)\right]\qquad \quad (2)}$

gdzie jest $źródła$ fali światła.

System oprzyrządowania Dopplera OCT jest rozszerzeniem systemu OCT. Wykorzystuje również światłowodowy interferometr Michelsona z szerokopasmowym światłem jako źródłem. Główna różnica polega na tym, co dzieje się w przetwarzaniu sygnału. Po wyemitowaniu światła z szerokopasmowego źródła światła, światło przechodzi przez sprzęgacz światłowodowy 2,2 , który rozdziela światło równo i oddzielnie na ramiona odniesienia i próbki. Światło, które przechodzi przez ramiona próbki, wchodzi do ośrodka próbki i ulega rozproszeniu wstecznemu. W tym samym czasie światło w ramieniu odniesienia jest odbijane od lustra i łączy się ze światłem w ramieniu próbki. Sygnał prążkowy domeny widmowej jest określony wzorem ${\ displaystyle P_ {ODT}}$

${ \displaystyle P_{ODT}\left(\nu \right)=2S_{0}\left(\nu \right)K_{r}\left(\nu \right)K_{s}\left(\nu \right )cos[2\pi \nu \ ((\Delta +2nV_{z}t)/c+\tau )]\qquad \quad (3)}$

Odpowiedni sygnał w dziedzinie czasu, jest dany przez ${\ displaystyle T_ {ODT}}$

${\ Displaystyle T_ {ODT} \ lewo (\ tau \ prawej) = 2 \ int S_ {0} \ lewo (\ nu \ prawej) K_ {r} \ lewo (\ nu \ prawej) K_ {s} \left(\nu \right)cos[2\pi \nu \ ((\Delta +2nV_{z}t)/c+\tau )]\,d\nu .\qquad \quad (4)}$

z transformatą Fouriera między sygnałami w dziedzinie czasu i sygnałami w dziedzinie widmowej są pokazane w powyższych równaniach, które odpowiadają dwóm typom OCT. W rezultacie zarówno metoda dziedziny czasu, jak i metoda dziedziny Fouriera mogą osiągnąć wysokie rozdzielczości.

Doppler w dziedzinie czasu OCT oparty na metodzie spektrogramu

w dziedzinie czasu wykorzystuje metodę spektrogramu do tworzenia obrazu. Gdy widmo zmienia się w czasie, określa się je jako spektrogram. Widmo mocy reprezentuje moc sygnału przy określonych częstotliwościach, które można wykorzystać do obliczenia spektrogramu. Do obliczenia widma mocy wykorzystywana jest szybka transformacja Fouriera w krótkim czasie (STFFT).

${\ Displaystyle T_ {ODT} \ lewo (\ tau \ prawo) = (STFFT (f_ {m },\tau _{ODT}))^{2}\qquad \quad (5)}$

gdzie $_$ częstotliwością . _

Prędkość przepływu płynu można obliczyć jako:

${\ Displaystyle V_ {ODT} \ lewo (i \ prawo) = {\frac {\lambda _{0}f_{D}}{2ncos\theta}}={\frac {\lambda _{0}(f_{c}-f_{o})}{2ncos\theta}} \qquad \quad (6)}$

gdzie $to$ przesunięcie częstotliwości Dopplera, to $displaystyle$ , częstotliwość środka ciężkości , a θ to kąt fa $f_ {D}}$ między ki a v.

W przypadku obrazowania z dużą szybkością, z wielu powodów, czułość na prędkość jest niezadowalająca. Zwiększenie rozdzielczości prędkości powoduje zmniejszenie szybkości obrazowania i rozdzielczości przestrzennej. W rezultacie metoda spektrogramu nie może zaspokoić zarówno wysokiej szybkości obrazowania, jak i wysokiej czułości prędkości.

Metoda OCT Dopplera z rozdzielczością fazową

W każdym skanie faza byłaby inna. Doppler OCT z rozdzielczością fazową wykorzystuje tę zmianę fazy do tworzenia obrazów prędkości przepływu, które mogą uzyskać zarówno dużą prędkość obrazowania, wysoką czułość prędkości, jak i wysoką rozdzielczość przestrzenną. Obliczając zmianę fazy, można określić przesunięcie częstotliwości Dopplera: ${\ displaystyle f_ {n}}$

${\ Displaystyle f_ {n} = {\ Frac {\ Delta \ Phi} {2 \ pi T}} \ qquad \ quad (7)}$

Odchylenie standardowe widma Dopplera jest następujące:

${\ Displaystyle \ sigma ^ {2} = {\ Frac {\ int (f- f_{D})^{2}(P\lewo(f\prawo))df}{\int (P\lewo(f\prawo))df}}\qquad \quad (8)}$

$to$ mocy Dopplera, a wartość środka ciężkości przesunięcia Dopplera.

Zmiana prędkości przepływu wpływa na wartość odchylenia standardowego . Gdy różnica prędkości przepływu staje się większa, widmo częstotliwości Dopplera staje się szersze. W rezultacie odchylenie standardowe staje się większe.

Metoda OCT dopplera z rozdzielczością fazową w domenie Fouriera

Domena Fouriera OCT mierzy prążki interferencyjne w domenie widmowej. Istnieją dwie metody: spektrometrze i system oparty na omiatanym źródle laserowym w celu uzyskania wysokiej czułości prędkości, dużej prędkości obrazowania i różnych zakresów prędkości