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