dborycki@ichf.edu.pl, Author at ICTER

Konwencjonalna skanująca technika OCT (ang. Optical Coherence Tomography) łączy bramkowanie czasowe z konfokalnym, umożliwiając szybkie, wysokorozdzielcze obrazowanie przekrojowe ludzkiej siatkówki. Klasyczna OCT nie zapewnia jednak wysokiej rozdzielczości obrazów głębokich warstw siatkówki ze względu na aberracje oka i fundamentalny kompromis między głębokością obrazowania a rozdzielczością poprzeczną.

Ten kompromis jest redukowany przez metodę pełnopolowej OCT (ang. Full-field OCT, FF-OCT), która wykorzystuje dwuwymiarową kamerę zamiast jednoelementowej fotodiody. Jednak próba zwiększenia szybkości obrazowania FF-OCT poprzez detekcję w dziedzinie Fouriera (FD) spowodowała kolejne poważne ograniczenie. Mianowicie, spójność przestrzenna lasera generuje koherentne artefakty, co zmniejsza rozdzielczość przestrzenną i, jak pokazano poniżej, wyklucza wizualizację głębokich warstw siatkówki.

Aby rozwiązać ten problem, opracowaliśmy nowy sposób kontroli fazy optycznej nazwany STOC (Spatio-Temporal Optical Coherence). Zastosowanie STOC do pełnopolowej optycznej koherentnej tomografii Fouriera (FD-FF-OCT) nazwaliśmy tomografią STOC (STOC-T) lub obrazowaniem STOC. Nasza nowa metodaumożliwiła wysokorozdzielcze przyżyciowe wizualizowanie ludzkiej skóry, siatkówki i rogówki z niespotykanymi dotąd prędkościami (100 wolumenów na sekundę).

W obrazowaniu STOC rozszerzyliśmy FD-FF-OCT o przestrzenny modulator fazy (ang. Spatial Phase Modulator, SPM). SPM dynamicznie moduluje fazę padającego światła poprzez generowanie zmiennych w czasie modów poprzecznych (ang. Transverse electromagnetic modes, TEMs). Jest to osiągane poprzez zastosowanie aktywnych modulatorów lub długich światłowodów wielomodowych. Powstałe w ten sposób sygnały są przetwarzane i uśredniane w celu uzyskania wolnych od szumów obrazów objętościowych próbki. Modulacja fazy działa tutaj jako dodatkowy mechanizm bramkowania optycznego, który izoluje użytecznych sygnał. W rezultacie otrzymujemy ulepszone obrazy próbki.

Jednakże obrazy en face (projekcje XY) są zniekształcone przez aberracje wywołane przez oko lub próbkę. Zwalczamy je w post-processingu za pomocą obliczeniowej korekcji aberracji (ang. Computational Aberration Correction, CAC). Algorytm CAC przebiega w sposób przedstawiony na rysunku. W szczególności, iteracyjnie (w komputerze) korygujemy fazę widma przestrzennego w celu optymalizacji metryki ostrości/jakości obrazu. Aby uzyskać obrazy siatkówki w szerokim polu widzenia, wykonujemy pomiary w różnych miejscach, a następnie łączymy ze sobą wynikowe wolumeny, aby wyrenderować wysokiej rozdzielczości obrazy siatkówki na różnych głębokościach (wskazanych wcześniej). W szczególności, renderujemy naczyniówkę (choroid), co było niemożliwe w przypadku konwencjonalnego FF-OCT z domeną Fouriera (bez modulacji fazy).

Tekst: dr Dawid Borycki, e-mail: dborycki@ichf.edu.pl.

Zespół:

Referencje:

Borycki, D. et al., Control of the optical field coherence by spatiotemporal light modulation, Opt. Lett., 2013 38(22): p. 4817-4820.
Borycki, D., et al., Spatiotemporal optical coherence (STOC) manipulation suppresses coherent cross-talk in full-field swept-source optical coherence tomography. Biomed Opt Express, 2019. 10(4): p. 2032-2054.
Stremplewski, P., et al., In vivo volumetric imaging by crosstalk-free full-field OCT. Optica, 2019. 6(5): p. 608-617.
Auksorius, E., et al., Crosstalk-free volumetric in vivo imaging of a human retina with Fourier-domain full-field optical coherence tomography. Biomed Opt Express, 2019. 10(12): p. 6390-6407.
Auksorius, E., et al., In vivo imaging of the human cornea with high-speed and high-resolution Fourier-domain full-field optical coherence tomography. Biomed Opt Express, 2020. 11(5): p. 2849-2865.
Borycki, D., et al., Computational aberration correction in spatiotemporal optical coherence (STOC) imaging. Opt Lett, 2020. 45(6): p. 1293-1296.
Egidijus Auksorius, Dawid Borycki, Maciej Wojtkowski, Multimode fiber enables control of spatial coherence in Fourier-domain full-field optical coherence tomography for in vivo corneal imaging, Opt Lett, 2021. 46(6): p. 1413-1416.
Auksorius E., et al., Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography provides advanced imaging of the human retina and choroid, arXiv preprint arXiv:2107.10672 (2021).
Auksorius E., Fourier-domain full-field optical coherence tomography with real-time axial imaging, Opt Lett, 2021., Vol. 46(18): p. 4478-4481.
Auksorius E., et al., Multimode fiber as a tool to reduce cross talk in Fourier-domain full-field optical coherence tomography. Opt Lett, 2022. 47(4): p. 838-841.
Tomczewski S., et al., Light-adapted flicker optoretinograms captured with a spatio-temporal optical coherence-tomography (STOC-T) system. Biomed Opt Express, 2022 13(4): p. 2186-2201.
Auksorius, E., et al., Spatio-temporal optical coherence tomography provides full thickness imaging of the chorioretinal complex. iScience, 2022 25(12) 105513.

W ramach projektu zaproponowaliśmy nowe podejście do kontroli spójności światła używanego w obrazowaniu. Ten nowatorski pomysł, który zweryfikowaliśmy eksperymentalnie, został wykorzystany do obrazowania skóry, rogówki i siatkówki ludzkiego oka in vivo. W efekcie stworzyliśmy nową metodę obrazowania obiektów biologicznych, którą nazwaliśmy przestrzenno-czasową tomografią optyczną (ang. spatio-temporal optical coherence tomography (STOC-T)).

W naszych pracach przeprowadziliśmy badania podstawowe wprowadzając specyficzny opis zjawiska rozpraszania światła z wykorzystaniem jego własności statystycznych (spójność przestrzenna i czasowa). Zaproponowaliśmy eksperymenty weryfikujące poprawność wprowadzonego modelu. Z układu eksperymentalnego powstał również układ laboratoryjny demonstrujący możliwości nowej metody w obrazowaniu biomedycznym. Pokazaliśmy możliwości zastosowania nowej metody do obrazowania przyżyciowego, co potwierdziło poprawność tez postawionych w tym projekcie.

Praktyczne skutki naszych badań zademonstrowaliśmy na przykładzie obrazowania oka ludzkiego. W przypadku obrazowania rogówki dzięki STOC-T mogliśmy znacząco wydłużyć czas ekspozycji nie narażając położonej głębiej, delikatnej siatkówki. Jednocześnie pozwala nam to na zachowanie wysokiej wartości mocy światła, która pozwala na zobaczenie bardzo słabego rozproszenia wstecznego od rogówki. Dodatkowo objętościowy charakter zbieranych danych pozwolił na optyczne „spłaszczenie” krzywizny rogówki i uzyskanie wyjątkowo ostrych obrazów wszystkich tworzących ją warstw w całym przekroju. To niełatwa sztuka, bo przejrzystość rogówki, choć pozwala na zaglądanie do wnętrza oka, wcale nie ułatwia badania jej samej.

W przypadku obrazowania siatkówki pokazaliśmy, że możemy przeniknąć głębiej do obszarów pod siatkówką, których nie można było dotąd obrazować. Zastosowanie STOC-T do obrazowania siatkówki pozwoliło nam w szczególności na rekonstrukcję morfologii czopków w ludzkim oku. Ponadto, dzięki zastosowaniu superszybkiej kamery rejestrującej dziesiątki tysięcy klatek na sekundę, możemy błyskawicznie rejestrować obrazy. Nasza metoda STOC-T pozwala na uchwycenie siatkówki w ułamku sekundy i zarejestrowanie całej jej głębi w niezwykle wysokiej, niespotykanej dotąd rozdzielczości. Pacjent nie zdąży nawet mrugnąć, a jego oko już jest zobrazowane i to z dokładnością pozwalającą oglądać nawet pojedyncze komórki. A gdyby nawet poruszył okiem, urządzenie, a raczej komputer, skompensuje ten ruch, wciąż dając ostry obraz. Do tego nasz aparat nie ma ruchomych części, a dzięki modulacji fazy wiązki laserowej możemy wykorzystywać większe moce bez szkody dla głębiej położonych tkanek oka.

Tekst: prof. Maciej Wojtkowski and dr Dawid Borycki