Seminário do grupo de Biofotônica
Mariana T. Carvalho
11 de Março de 2010
Tomografia por Coerência Óptica:
Princípios, Técnicas e Aplicações
Sumário
• Histórico
• Princípios básicos
• Aplicações
Log ReflectionLog Reflection
250 µm250 µm
250 µm250 µm
FoveaOptic Disc
Choriocapi llaris
Vi treous NFL
Photoreceptors
e
om
sm
fatepiglottis
1 mm proximaldista
l
OCT - Optical Coherence Tomography
Primeira demonstração de OCT (1991)
D. Huang, et al,
Science 254, 1178
(1991)
Retina humana
ex vivo e histologia
correspondente
Science 254(2) p1178 1991
História do OCT
1991 Demonstração do OCT in vitro
1993 Primeiras imagens in vivo da retina
1994 Transferência da tecnologia para Humphrey
Instruments
1995 Início dos estudos clínicos
(glaucoma, AMD, retinopatia diabética)
1996 Introdução do instrumento comercial do OCT
oftalmológico
1999 Aproximadamente 200 unidades vendidas
2000 Introdução do OCT2, 2ª geração do
instrumento do OCT oftalmológico
2002 Introdução do StratusOCT, 3ª geração
Retinografia
Foto da superfície da Retina – Pode não mostrar sinais
importantes para o diagnóstico de doenças oftálmicas
OCT Oftalmológico
OCT1 (1996)
Carl Zeiss
Meditec
OCT2 (2000)
Stratus OCT3 (2002)
OCT
Princípios
Optical Coherence Tomography (OCT)
Imagem usando “ecos” de luz
Intervalo de tempo
entre os pulsosLuz incidente
Tecido / espécime
Intervalo de tempo =
Distância x Velocidade
A tomografia
óptica é similar
ao ultra-som do
modo
B, utilizando
ondas de luz ao
invés de ondas
sonoras.
Método de diagnóstico por
imagem, capaz de observar
a microestrutura interna dos
tecidos biológicos.
Baseado na interferometria
de baixa coerência para
medir o atraso entre os
“ecos” (pulsos) de luz.
A capacidade da TCO de
gerar imagem de tecidos
moles e duros sem haver
dano ao paciente, a torna
de grande interesse para
essa área.
Imagem de OCT da secção transversal
Varredura transversal
Luz retroespalhada
Va
rred
ura
ax
ial
(Pro
fun
did
ad
e)
Amostra de
tecido biológico
Huang, et al, Science, 254 (1991)
A-scan
B-scan
Interferometria
• 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, ...
Geração da imagem
Varredura transversal
Luz retroespalhada
AmostraVarr
edura
axia
l
(Pro
fundid
ade)
PRIORIDADE NA DIREÇÃO
AXIAL
Feixe
incidente
Transversal
x
y
zAxial
(Profundidade)
PRIORIDADE NA DIREÇÃO
TRANSVERSAL
Feixe
incidente
Transversal
x
y
zAxial
(Profundidade)
EN FACE
Feixe
incidente
Transversal
x
y
zAxial
(Profundidade)
Comparada a outras técnicas para a geração
de imagens na medicina
RE
SO
LU
ÇÃ
O [
log
]
PROFUNDIDADE DA IMAGEM [log]
1 mm
100 m
10 m
1 m
Padrões
Clínicos
ULTRA-SOM
Alta
Freqüência
TOMOGRAFIA POR
COERÊNCIA ÓPTICA
MICROSCOPIA
CONFOCAL
100 mm 1 mm 1 cm 10 cm
Todas as técnicas de geração de imagem são complementares, cada uma atua melhor em uma região específica
Limites de Resolução
Δz
Δx
• Axial – Comprimento de coerência da luz:
Assumindo: Espectro Gaussiano, meio não dispersivo
• Transversal – Abertura numérica do foco (lente):
• Sensibilidade:
Inverso da refletividade, na qual SNR é igual a 1
2
02ln2z
d
fbx
422 0
NEBh
PSNR
2log10
Grande ANΔlc
b
Pequena AN
2 ωc
zR
b
Δlc
zR
2√2ωc
Largura de Banda – Resolução Axial
z… Comprimento de
coerência
o… Comprimento de
onda central
… Largura de banda
à meia altura
(FWHM)
Assumindo:
Espectro Gaussiano, meio não dispesivo
2
02ln2z
Fonte de luz x Resolução do OCT
Ti:Sapphire
260 nm
SLD
32 nm
Po
wer
Sp
ectr
al D
en
sit
y (
a.u
.)
Wavelength (nm)
650 700 750 800 850 900 950 1000
11.5 µm
1.5 µm
Delay (µm)
-12 +12-4 -8-8 -4 0
Inte
nsit
y (
a.u
.)
)2(cos2 2121 IIIII
variando variando
Time domain
Optical Coherence
Tomography:
Spectral/Fourier domain
Optical Coherence
Tomography:
– atraso no caminho óptico
- freqüência óptica
Como funciona?
Interferometria de baixa coerência
OCT – domínio do tempoλ2
L
λ2
z
L
Referência
(móvel)
AmostraFonte
Luminosa
Detector
Divisor de
Feixes
Intervalos de tempo entre os ecos da luz refletida são medidos por correlação
DemoduladorFiltro
passa-banda
Detector
Fonte de Luz de
Baixa Coerência
Amostra
1 23
Circulador
50/50
Sonda OCT
Linha de atraso
de alta velocidade
90/10
Feixe guia
+ _Controle de
Polarização
Computador
• Galvanômetro com braço e
espelho de canto de cubo;
• Roda dentada;
• Fast Fourier Scanning;
• …
Sistema para fazer imagens com OCT
Filtro passa-banda
Demodulator
(eletrônica)
PC
H2O
FS
Espelho de
referênciaBK7
Detecção
Balanceada
D1
D2
Fonte de Banda
larga
Sistema de varredura
Objetiva de
visualização da
lâmpada de fenda
Ocular
Varredura
Transversal
Divisor de
feixes
Plano de imagem da
lâmpada de Fenda
-
+
Sistema para fazer imagens com OCT
Princípios
1 2 1 2( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) cos( )I I I I I
1. Laser sintonizável (open-
cavity, dye, etc…) –
OFDR, Swept Source OCT;
2. Espectrômetro – Spectral
Radar, Spectral OCT
1 2 1 22 cos( )I I I I I
Interferometria no domínio Fourier/Espectral
c/2L
Fonte com
Banda larga
Divisor
De feixes
Espectrômetro
frequência
L
Espectro da Interferência
Transformada de Fourier
frequência ~ distância
Referência
(parada)
Amostra
c/2L
Fonte com
Banda larga
Divisor
De feixes
Espectrômetro
frequência
L
Espectro da Interferência
Transformada de Fourier
frequência ~ distância
Referência
(parada)
Amostra
Interferometria no domínio Fourier/Espectral
c/2L
Fonte com
Banda larga
Divisor
De feixes
Espectrômetro
frequência
L
Espectro da Interferência
Transformada de Fourier
frequência ~ distância
Referência
(parada)
Amostra
Interferometria no domínio Fourier/Espectral
Princípio básico de funcionamento da
tomografia por coerência óptica espectral
+
+
=
Distância
Am
pli
tud
e
FFT
Fonte com
banda larga
Divisor
de
feixes
Espectrômetro
L
Espelho de
referência fixo
Amostra
High Speed, UHR-OCT
Axial image Resolution: ∆z = 2ln(2)λ02/(π∆λ)
2.6 µm in air, ~2 µm in the retina
Spectral bandwidth Point spread function
Limitações da técnica – Resolução do
espectrômetro
Short Delays -
Low frequency fringes
Long Delays -
High frequency fringes
Limitações da técnica – Resolução do
espectrômetro
Short Delays -
Low frequency fringes
Long Delays -
High frequency fringes
Lower fringe amplitude / bandwidth for high frequency
fringes
Perda de Sensitividade e Resolução
com a posição axial
Perda de Sensitividade e Resolução
com a posição axial
A distância útil para a imagem é limitada pela perda de
sensitividade
Sensitividade vs posição axial Resolução vs posição axial
Distância
útil
Limite de profundidade de 1.5 mm
Variação de 14 dB em sensitividade
Resolução degrada-se de 3 µm para
4 µm
Limitações da técnica – Sensitividade e
resolução variando com a profundidade
Resolução do espectrômetro
Mapeamento não linear de
comprimento de onda para
freqüência
Tamanho dos pixels
Cross talk entre os pixels
Imagens conjugadas
)2exp()2exp()2(cos2 0021021 iiIIIII -
)(IFT
0-0
O alinhamento do instrumento é muito importante
O sistema não distingue entre atrasos positivos e
negativos
Artefatos – imagem conjugada – podem ocorrer
Geração de imagens por tomografia
por coerência óptica espectral
FS
Espelho de
referência
fixo
BK7
Fonte de Banda
Larga
(Laser/SLDs)
Sistema de varredura
Varredura
Transversal
Filtro
Computador
Espectrômetro +
Câmera CCD
Amostra
Imagens oftalmológicas
H2O
FS
Espelho de
referência
fixo
BK7
Fonte de
Banda LargaFiltro
Sistema de varredura
Objetiva de
visualização da
lâmpada de fenda
Ocular
Varredura
Transversal
Divisor de
feixes
Plano de imagem
da lâmpada de
Fendacomputador
Espectrômetro +
Câmera CCD
250 µm
fovea optic disc
OCT: Imagem OftalmológicaCâmara Anterior
Retina
cornea
irislens
sclera
250 µm
250 µm
temporal nasal
10 µm resolução axial
3 µm resolução axial
W. Drexler, et al. Nature Medicine (2001)
Imagens de alta definição
GCLIPLINLOPLONLELM
IS/OS
RPE/Choroid
NFL
2048 x 1024 pixel
0.13 sec
600 x 1024 pixel
4 sec
High speed UHR-OCT
UHR-OCT
Temporal Nasal
ILM
GCLIPLINLOPLONLELMIS/OS
RPE/Choroid
NFL
Vantagens:
• 20dB de aumento em
sensitividade comparado ao
OCT padrão ou 100 vezes mais
rápido com a mesma
sensitividade
• Aquisição de dados totalmente
digital (acesso direto ao
espectro)
• Mais sensível à fase do padrão
de franjas espectrais
(permitindo medir Doppler)
Desvantagens:
• Em medidas de baixa
velocidade, o padrão de franjas
espectrais se cancela (média)
• Sensitividade diminui com a
profundidade
• Resolução diminui com a
profundidade
• Presença de artefatos de
coerência (autocorrelation terms)
• Presença de imagem conjugada
após FFT
High Speed UHR-OCT
usando a detecção no domínio Espectral/Fourier
Qualidade da imagem
ELM
ONL
INL
IPL
OPL
IS/OS
RPE
NFL
ILM
ELM
Plexiforme Interna
Camada Nuclear Interna
Plexiforme Externa
Camada Nuclear Externa
Cones e Bastonetes
Epitélio pigmentado
Coróide
Esclera
Arquitetura Morfológica da Retina
Ganglion Cell Layer (CGL)(Camada de células glaglionares)
Nerve Fiber Layer (NFL)(Camada de fibras nervosas)
Inner Plexiform Layer (IPL)(plexiforme interna)
Inner Nuclear Layer (INL)(Camada nuclear interna)
Outer Plexiform Layer (OPL)(plexiforme externa)
Outer Nuclear Layer (ONL) (Camada nuclear externa)
Photoreceptor Inner Segment (IS)(segmento interno dos fotorreceptores)
Photoreceptor Outer Segment (OS)(segmento externo dos fotorreceptores)
Retinal Pigment Epithelium (RPE)(epitélio pigmentar da retina)
Rod and Cone
Receptors(fotoreceptores
cone e bastonetes)
Müller Cell(células de Müller)
Bipolar Cells(células bipolares)
Ganglion Cells(células ganglionares)
Retinal Pigment
Epithelium(epitélio pigmentar
da retina)
External Limiting
Membrane (ELM)(Membrana externa)
Aplicações diversas
• TCO em oftalmologia
• TCO em dermatologia
• Outras aplicações médicas
• Biópsia óptica
• TCO em odontologia
• Outras aplicações
Imagens de tomografia por coerência
óptica espectral em pequenos animais
FS
Espelho de
referência
fixo
BK7
Fonte de
Banda Larga
(Laser/SLDs) Filtro
Sistema de
varredura
Varredura
TransversalEspectrômetro
+ Câmera CCD
computador
45Recife, 31 de Outubro
de 2006
Tese de Doutorado - Mariana Torres
Carvalho
Esmalte Dentina
Câmara
pulpar 100 μm
Odontologia
Amostra
Linha de atraso rápida de
Fourier
detector
Laser em
830 nm
46Recife, 31 de Outubro
de 2006
Tese de Doutorado - Mariana Torres
Carvalho
Dentina
Câmara
Pulpar
100 µm
Dentina
Câmara
Pulpar 100 µm
DentinaEsmalte
100 µm
canal
radicular
400 μm acima do
canal radicular
Coroa
Esmalte
Esmalte
Resultados
Geração de imagens por tomografia por
coerência óptica com fonte de freqüência
variávelFonte com freqüência
variável
+ -
NI 5122 conversor A/D
(2-ch,) 100 M-amostra/s
circulador
Acoplador
Fotodiodo II
Fotodiodo I
Amplificador
diferencial
Espelho de
referencia
Amostra
Filtro FP
de referência
50GHz
Fotodiodo de
calibração
Passa-banda
eletrônico 10 - 40 MHz
Tri
gg
er
pa
ra v
arr
ed
ura
do
la
se
r
- Recalibração
- FFT
- Criação da
imagem
1 2
3
Óptica de
varredura xy
PC
20kHz
20kHz
20kHz
27kHz
1mm 1mm
1mm1mm
SC SC
SC
ED
DEJ
DEJN
SD
SC: stratum corneum DEJ: DE junction N: nail
SD: sweat duct ED: epidermis
Definição: A imagem in situ da
microestrutura do tecido com uma
resolução aproximada da histologia, mas
sem a necessidade de extrair ou de
processamento do tecido.
Biópsia Óptica
Imagem longitudinal do embrião do
peixe zebra em desenvolvimento
Zygote Cleavage 16 cell High
Shield 10-somite Prim5 Prim5
1 x 3 µm (long. x trans.)
0.75 x 0.5 mm
1700 x 1000 pixels
Resolução sub-celular do OCT In vivo
Girino do
Xenopus laevis
(Rã Africana)
100µm
W. Drexler, et al.
Opt. Lett. (1999)
EsôfagoEstômago
Intestinodelgado
Cólon
Reto
M.V. Sivak, et al, Gastrointestinal Endoscopy 2000: 51, 474 Case Western Group
OCT Endoscópico
OCT endoscópico comercial
Imagens endoscópicas e
broncoscópicas – parceria com
Pentax
Imagem intravascular
Empresa adquirida pela
Goodman, Ltd.
Artéria humana In vivo
Prof. E. Grube - Siegburg Heart Center
LightLab Imaging 0.014” ImageWire
catheter on penny
HousingBeam
A sonda é introduzida pela
porta de biopsia através de
um endoscópio padrão.
Imagem de OCT Endoscópica
Esôfago normal e pré-cancerígeno
Endoscopy Biopsy Histology
250 µm
Barrett’s
Epithelium
500 µm
OCT 500 m
c
g
OCT
Catheter
Catheter Sheath
OCT 500 m
eplp
mmsm
mp
Normal Barrett’s
Endoscopy Biopsy Histology
ep: epithelium lp: lamina propria
mm: muscularis mucosa sm: submucosa
mp: muscularis propria
c: crypts g: glands
Li, et al, Endoscopy 32, (2000)
Câncer de cólon Ex vivo
500 μm
Normal Colon
500 μm
Ulcerative Colitis
500 μm
Adenocarcinomam
mm
u
v
C. Pitris, et al, J. Gastroenterology 35, 87 (2000)
OCT em Broncoscopia
E
SM
C
(epithelium E, submucosa SM, cartilage C)
Normal bronchusEdema Carcinoma
N. Gladkova, et al, Nishny Novgorod Group
Análise de restaurações dentárias
Amostra
Detector
Laser
Espelho de
referência
Sistema de
detecção
Fonte
Espelho móvel de
referência
Acoplador
50/50
100 μm
Fenda
150 μm
Fenda
Análise de restaurações dentárias
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
120um
Fenda Superfície
ar / esmalte
Inte
nsid
ade
(ua)
Profundidade (mm)
Fenda
120μm
Superfície
Ar / Esmalte
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
"A mente que se abre a uma nova idéia
jamais voltará ao seu tamanho original"
Albert Einstein