Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych




Pracownie i wyposażenie

Zespół NLTK

Założenia naukowe

Wyposażenie laboratoriów

Pliki

Promocja

Konferencje
n.jpg, 21 kB
UE.jpg, 17 kB

Pracownia Tomografii Optycznej OCT
Prof. dr hab. Andrzej Kowalczyk

Tomografia optyczna z użyciem światła częściowo spójnego (ang. Optical Coherence Tomography, OCT) jest metodą obrazowania obiektów półprzezroczystych za pomocą światła. Metoda ta umożliwia otrzymywanie obrazów przekrojów z rozdzielczością rzędu pojedynczych mikrometrów w sposób bezkontaktowy i nieinwazyjny. W OCT, podobnie jak w ultrasonografii, dwuwymiarowy obraz przekroju uzyskuje się poprzez skanowanie wiązką próbkującą wzdłuż badanego obiektu, jednocześnie rejestrując czas powrotu impulsu próbkującego od warstw odbijających położonych wewnątrz tego obiektu wzdłuż padającej wiązki. Ze względu na dużą prędkość światła bezpośredni pomiar „echa” nie jest możliwy, dlatego używa się metod interferometrycznych z użyciem światła częściowo spójnego PCI (ang. Partially Coherence Interferometry). Tak jak w większości metod interferometrycznych pomiaru odległości warstw w obiekcie dokonuje się względem odległości od zwierciadła odniesienia. Z opisanych wyżej względów stosowanie OCT jest ograniczone do obrazowania ośrodków niezbyt mocno rozpraszających i absorbujących światło i dlatego metoda ta główne zastosowanie znalazła w okulistyce do otrzymywania przekrojowych obrazów przedniego i tylnego odcinka oka.
Metoda tomografii optycznej z użyciem światła częściowo spójnego została opisana po raz pierwszy w roku 1991. W swej pierwotnej realizacji polegała ona na rejestracji i analizie sygnału powstałego z nałożenia w interferometrze wiązki światła rozproszonego na strukturach wewnętrznych badanego obiektu oraz wiązki odniesienia odbitej od poruszającego się zwierciadła referencyjnego. Ze względu na to, że obraz otrzymuje się w czasie przesuwu zwierciadła metoda ta nosi nazwę time-domain.

Alternatywnym i stosunkowo nowym rozwiązaniem (1995) jest metoda Fourierowskiej Tomografii Optycznej z użyciem światła częściowo spójnego (ang. Fourier domain Optical Coherence Tomography). W tej metodzie informacja o położeniu elementów strukturalnych zawarta jest w okresie modulacji widma rejestrowanego na wyjściu interferometru, czyli sygnału prążków spektralnych. Rozkład położeń punktów rozpraszających wzdłuż promienia sondującego otrzymuje się poprzez poddanie mierzonego sygnału numerycznej transformacji Fouriera. Metoda ta różni się od tradycyjnego sposobu rejestracji sygnałów OCT tym, że dzięki równoczesnej detekcji światła rozproszonego na różnych elementach wewnętrznej struktury badanego obiektu uzyskuje się w niej 100-krotnie większą szybkość pomiaru przy około 30-krotnie mniejszym naświetleniu oka lub, ujmując zagadnienie inaczej, uzyskuje się ponad stukrotnie wyższą czułość instrumentu. Dzięki zwiększeniu prędkości pomiaru staje się możliwe zbieranie trójwymiarowej informacji o strukturze badanego obiektu, jak również uzyskiwanie filmów tomograficznych obrazujących dynamikę zmian badanego układu. Nie bez znaczenia jest fakt, że możliwa jest obserwacja mierzonych struktur w czasie rzeczywistym.

W Zespole Fizyki Medycznej zaprojektowano i zbudowano pierwsze na świecie urządzenie do uzyskiwania obrazów przekrojów przedniej i tylnej komory oka za pomocą metody Spektralnej OCT. Tutaj został też skonstruowany zwarty i przenośny instrument do Spektralnej Tomografii Optycznej OCT zbudowany z elementów światłowodowych. Rysunek 1 przedstawia schemat układu oraz zdjęcie prototypu instrumentu SOCT skonstruowanego w Zespole Fizyki Medycznej. Na bazie tego urządzenia został wyprodukowany pierwszy na świecie komercyjny aparat do Spektralnej Tomografii Optycznej OCT – SOCT Copernicus wyprodukowany w polskiej firmie Optopol z Zawiercia.


Rysunek 1. (a) Schemat urządzenia do Spektralnej Tomografii Optycznej OCT; (b) Wysokiej jakości obraz przekroju siatkówki otrzymany za pomocą urządzenia prototypowego do spektralnej tomografii OCT. Obraz złożony jest z 10,000 linii i został zmierzony w ciągu 0.62s.
Rysunek 2. Analiza danych 3-D otrzymanych za pomocą spektralnej tomografii OCT, przypadek druzów w zwyrodnieniu plamki związanym z wiekiem: (a) fotografia dna oka; (b) tomograficznym obrazie przekroju; (c-d) rekonstrukcja trójwymiarowej struktury siatkówki na podstawie danych OCT; (e) struktura druzów zwizualizowana po odjęciu części wewnętrznej siatkówki; (f) alternatywna możliwość wizualizacji danych


Pierwsze przyżyciowe obrazy tomograficzne siatkówki zdrowego oka ludzkiego uzyskane za pomocą tego instrumentu zostały opublikowane przez nasz Zespół w roku 2002 [M. Wojtkowski, R. Leitgeb, A. Kowalczyk, T. Bajraszewski, A.F.Fercher, In vivo human retinal imaging by Fourier domain optical coherence tomography J.Biomed. Optics 7, 457-463, 2002]. Wyniki obrazowania w trzech wymiarach z wysoką rozdzielczością rzędu 3 mikrometrów otrzymane przez nasz Zespół stanowiły treść pierwszej na świecie pracy opublikowanej w czasopiśmie okulistycznym dotyczącej okulistycznych zastosowań techniki Spektralnej Tomografii Optycznej OCT [M. Wojtkowski, T. Bajraszewski, I. Gorczyńska, P. Targowski, A. Kowalczyk, W. Wasilewski, Cz. Radzewicz, Ophthalmic imaging by Spectral Optical Coherence Tomography, Am. J. Ophthalmology 138, 412-419 (2004)]. Zwiększenie rozdzielczości obrazowania pozwala uwidocznić więcej szczegółów struktury siatkówki wliczając błonę graniczną zewnętrzną oraz detale warstwy fotoreceptorowej. Na rysunku 2 pokazano przykłady obrazowania i obróbki danych niosących informacje o trójwymiarowej strukturze siatkówki. Rysunek 2c przedstawia przykład obrazowania objętościowego okolicy tarczy nerwu wzrokowego. Zastosowanie zaawansowanych metod obróbki danych pozwala na rekonstrukcję informacji ilościowej z danych trójwymiarowych. Między innymi można oddzielić profile różnych warstw siatkówki (Rys 2d). Dane trójwymiarowe otrzymane za pomocą spektralnej tomografii OCT mogą posłużyć również do rekonstrukcji obrazu dna oka.
Kolejnym etapem rozwoju tomografii optycznej jest polepszenie rozdzielczości oraz szybkości obrazowania. Z tego względu istnieje potrzeba zastosowania najnowszych technologii zarówno do generacji jak i szybkiej detekcji promieniowania o szerokim widmie.
W ramach projektu NLTK zakupiono Laser femtosekundowy, źródło światła supercontinuum
obiektyw wysokiej jakości, stół optyczny oraz szybką kamerę z analizatorem frontu falowego. Obecnie prowadzone są prace badawcze nad nowymi wysokorozdzielczymi metodami obrazowania z wykorzystaniem zakupionej aparatury. Na rysunkach 3 i 4 pokazano zdjęcia aparatury pomiarowej skonstruowanej w ramach Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych w Zespole Fizyki Medycznej UMK w Toruniu.


Rysunek 3. Źródło światła supercontinuum
Rysunek 4. Aparatura zgromadzona na zakupionym stole optycznym. Na pierwszym planie laser femtosekundowy z układem wyprowadzania wiązki z lasera. W tle źródło światła supercontinuum oraz układ wyposażony w szybką kamerę z analizatorem frontu falowego

Pracownicy zaangażowani w realizację projektu:

Prof. dr hab. Andrzej Kowalczyk
Dr hab. Maciej Wojtkowski
Dr Iwona Gorczyńska
Dr Maciej Szkulmowski
Dr Ireneusz Grulkowski

Studenci:
Mgr Karol Karnowski
Mgr Daniel Szlag
Mgr Danuta Bukowska
Mgr Szymon Tamborski
Mgr Daniel Rumiński
Sylwia Kolenderska