17.01.2023

Obrazowanie STOC-T (Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography)

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:

Egidijus Auksorius

Dawid Borycki

Piotr Węgrzyn

Kamil Liżewski

Marta Mikuła-Zdańkowska

Sławomir Tomczewski

Maciej Wojtkowski

Referencje:

  1. Borycki, D. et al., Control of the optical field coherence by spatiotemporal light modulation, Opt. Lett., 2013 38(22): p. 4817-4820.
  2. 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.
  3. Stremplewski, P., et al., In vivo volumetric imaging by crosstalk-free full-field OCT. Optica, 2019. 6(5): p. 608-617.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Borycki, D., et al., Computational aberration correction in spatiotemporal optical coherence (STOC) imaging. Opt Lett, 2020. 45(6): p. 1293-1296.
  7. 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.
  8. Auksorius E., et al., Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography provides advanced imaging of the human retina and choroid, arXiv preprint arXiv:2107.10672 (2021).
  9. Auksorius E., Fourier-domain full-field optical coherence tomography with real-time axial imaging, Opt Lett, 2021., Vol. 46(18): p. 4478-4481.
  10. 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.
  11. 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.
  12. Auksorius, E., et al., Spatio-temporal optical coherence tomography provides full thickness imaging of the chorioretinal complex. iScience, 2022 25(12) 105513.