Лазерный конфокальный двухволновый ретинотомограф с девиацией частоты

Изобретение относится к медицинской технике. Данное устройство состоит из инжекционного лазерного диода с длиной волны λ=670 нм, источника тока для накачки лазерного диода, микрообъектива, формирующего сфокусированный зондирующий лазерный пучок, двух микро-диафрагм, одна из которых расположена в перетяжке зондирующего лазерного пучка в плоскости предметов, а вторая - в плоскости изображений, сопряженная с первой микродиафрагмой относительно полупрозрачного зеркала для отраженного пучка из зондируемой фокальной области сетчатки, детектирующего фотоприемника, оптического двумерного сканера, оптической системы, перестраивающей фокальное пятно лазерного пучка по глубине сетчатки глаза. Также содержит дополнительный инжекционный инфракрасный лазерный диод с длиной волны λ=810 нм, лазерный пучок которого является соосным с излучением основного лазерного диода, генератор пилообразного напряжения для модуляции тока инжекции в обоих лазерных диодах с периодом меньшим, чем время индикации одной пространственной точки в сканирующем ретинотомографе и дополнительный фотоприемник, селективно детектирующий излучение на длине волны λ=810 нм. Применение данного устройства позволит проводить диагностику объемной внутренней структуры сетчатки как в макулярной области сетчатки, так в области диска зрительного нерва in vivo при наличии катаракты, рассеяния в мутной роговице или стекловидном теле, что расширит диагностические возможности конфокального одноволнового лазерного ретинотомографа. 5 ил.

 

Изобретение относится к области биомедицинских диагностических технологий, в частности к созданию оптических томографов, позволяющих объективно определять пространственные характеристики сетчатки (ретины) глаза человека или животных при наличии катаракты (помутнении хрусталика, которое обуславливает рассеяние света) и обнаруживать ранние стадии глаукомы на основании определения экскавации диска зрительного нерва в одноволновом режиме, а также оценивать, например, диабетическую ретинопатию и макулярную дегенерацию, являющихся одним из основных причин слепоты, на основе анализа функционирования сосудистой системы глаза при зондировании сетчатки в двухволновом режиме.

Известен оптический томограф, в котором объемную ткань зондируют лазерными импульсами определенной длительности (пико или наносекундной длительности) на длине волны, соответствующей слабому поглощению биотканей (ближняя ИК область) и сравнивают форму и амплитуду входного и прошедшего или отраженного рассеивающей средой оптических импульсов, определяют параметры неоднородности по временному уширению продетектированных оптических импульсов и изменению их амплитуды, а при пространственном сканировании лазерного пучка по поверхности зондируемой биоткани производится диагностика объемных локальных оптических макронеоднородностей (Patterson M.S., Chance В., Wilson B.C. Time-resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties. Appl. Opt., 1989. V.28. P.2331-2336).

Однако при зондировании сильно рассеивающих объемных сред пикосекундными лазерными импульсами на толщинах несколько сантиметров уровень сигнала может уменьшиться на 60-80 дБ, а уширение импульса может достигать несколько наносекунд, при этом для детектирования оптических импульсов используются сверхскоростные фотоприемники, типа лавинных фотодиодов, обладающие малой чувствительностью, а для анализа формы продетектированных оптических импульсов используются скоростные осциллографы, которые также обладают малой чувствительностью.

Более перспективным для экспериментальной реализации является создание оптических томографов на основе амплитудно-фазового способа, в котором зондирование происходит с помощью непрерывного лазерного излучения, интенсивность которого промодулированна в диапазоне частот, соизмеримых с обратным временем уширения лазерных импульсов в зондируемых биосредах, то есть в характерном диапазоне частот сотни МГц - единицы ГГц (Medical optical tomography: functional imaging and monitoring / Eds G.Muller, B.Chance, R.Alfano et al. SPIE, 1993, V.IS11; Акчурин Г.Г., Зимняков Д.А., Тучин В.В. Оптоэлектронный модуль для лазерной СВЧ модуляционной спектроскопии и томографии биотканей. Биомедицинская радиоэлектроника, 2000, №1, с.46-53).

Однако при практической реализации таких оптических томографов на основе нестационарных лазерных методов зондирования возникают экспериментальные трудности, связанные с недостаточной чувствительностью детектирующих фотоприемников типа быстродействующих фотодиодов, а чувствительные ФЭУ (фотоэлектронные умножители) не обладают соответствующим быстродействием.

Такие оптические томографы встречают серьезные технические трудности при зондировании тонких и слабо рассеивающих сред, так как фазовые задержки рассеянных волн составляют пико- или фемтосекундную длительность. Такие типы оптических томографов используются для диагностики неоднородностей на относительно больших глубинах, достигающих несколько сантиметров, например, в качестве оптических маммографов для экспресс-анализа рака молочной железы или опухолей головного мозга. Однако пространственное разрешение таких типов томографов достигает в настоящее время несколько миллиметров, что недостаточно для диагностики внутренних структур глаза.

Для диагностики внутренней структуры сетчатки глаза человека используется низкокогерентный оптический томограф (ОСТ), который позволяет получать трехмерные изображения в сильно рассеивающих тканях толщиной до 1-1,5 миллиметра с разрешением по глубине 15-20 микрон (Fercher A.F. J. Biomed. Opt. 1996. V1. P.157-173; Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Гладкова Н.Д. и др. Письма в ЖЭТФ. 1995. Т.61. С.149-153). В таких оптических низкокогерентных томографах в качестве излучателя используется суперлюминесцентный светодиод (SLD) с длиной когерентности порядка 15-20 микрон, которая и определяет пространственное разрешение по глубине. Томограф состоит из суперлюминесцентного светодиода (длина волны обычно в ближней ИК области), излучение которого вводится в одномодовый волоконно-оптический интерферометр Майкельсона, в одном их плеч которого установлена перестраиваемая оптическая линия задержки, а в другом - диагностическом, с помощью оптической системы формируется гауссов пучок с фокальным пятном, перетяжка которого перестраивается по глубине соответствующим пространственным сканером. Интерференционный оптический сигнал, формируемый за счет отражения от зондируемой ткани в измерительном плече и оптической волны, отраженной от зеркала в опорном плече интерферометра при равенстве оптических путей в обоих плечах, смешиваются на квадратичном фотодетекторе и фототок несет информацию об интенсивности отраженного сигнала в измерительном плече из зондируемой области, определяемой «объемом когерентности», задаваемом в поперечном сечении размером фокального пятна, в соответствии с соотношением

где λ - длина волны зондирующего излучения; NA - числовая апертура оптической системы томографа и глаза человека;

а в продольном направлении - длиной когерентности L_c, которая обратно пропорциональной ширине спектра зондирующего излучателя (SLD).

В случае возникновения катаракты (помутнения хрусталика) минимальный размер светового пучка на сетчатке увеличивается приблизительно в (d/r_с) раз, а интенсивность света падает в (r_c/d)², где (r_c - радиус поперечной пространственной корреляции случайного рассеивающего оптического поля на внутренней поверхности хрусталика, который в зависимости от степени и вида катаракты может быть много меньше радиуса зрачка d). Для мутного хрусталика радиус фокального пятна в области перетяжки может быть оценен из соотношения

где f - заднее фокусное расстояние оптической системы глаза (Шамшинова A.M., Волков В.В. Функциональные методы исследования в офтальмологии. М.: Медицина, 1999. 415 с.; Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981. 640 с.).

Таким образом, в случае катаракты размер фокального пятна возрастает обратно пропорционально радиусу поперечной корреляции, который определяется параметрами рассеяния катарактального хрусталика и может быть на порядки меньше диаметра зрачка. Таким образом, катаракта существенно ухудшает не только поперечное разрешение ОСТ, но и продольное, вследствие спекл-модуляции снижающей контрастность интерференционной картины.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является лазерный сканирующий конфокальный ретинотомограф (Heidelberg Engineering, HRT II; Masters B.R., Thaer A.A. Appl. Opt. 1994, v.33, p.695-701), состоящий из инжекционного лазерного диода с длиной волны 670 нм с постоянной выходной мощностью излучения, стабилизированного источника тока для накачки лазерного диода; микрообъектива, формирующего сфокусированный зондирующий лазерный пучок; двух микродиафрагм, одна из которых расположена в перетяжке зондирующего лазерного пучка в плоскости предметов, а вторая в плоскости изображений, сопряженная относительно полупрозрачного зеркала, используемого для отраженного пучка из зондируемого фокального объема сетчатки; фотоприемника, детектирующего отраженное излучение, прошедшее вторую диафрагму; оптического двухмерного сканера, с помощью которого зондируется сетчатка; оптической системы, перестраивающей фокальное пятно лазерного пучка по глубине сетчатки глаза.

Однако при наличии даже ранней катаракты вследствие рассеяния на оптических неоднородностях хрусталика возникает пространственная спекл-модуляция зондирующего пучка (Акчурин Г.Г., Бакуткин В.В., Радченко Е.Ю., Тучин В.В. Лазерная спекл-интерферометрия и возможность определения ретинальной остроты зрения при катаракте. Биомедицинская радиоэлектроника, 2002, №1, с 46-53), снижающая не только поперечное разрешение ретинотомографа, но приводящая к спекл-шуму в отраженном трехмерном изображении, получаемом лазерным конфокальным ретинотомографом.

Как утверждает офтальмологическая медицинская статистика, в 40% случаев совместно с глаукомой возникает катаракта. При ранней стадии катаракты при использовании оптических микроскопов возможно наблюдение глазного дна. Однако как показывают исследования на лазерном конфокальном ретинотомографе, вследствие когерентного рассеяния лазерного излучения на оптических неоднородностях хрусталика или роговицы, вследствие эффектов интерференции возникающее спекл-поле приводит к сильным искажениям отраженного оптического сигнала от сетчатки («игольчатая» трехмерная картина, т.е. покрытая пространственной спекл-модуляцией интенсивности отраженного излучения). Это сильно зашумляет наблюдаемую на компьютере информационную картину глазного дна и не позволяет вычислить параметры, связанные с характерными углублениями в диске зрительного нерва (экскавация зрительного нерва) или отека, в макулярной области сетчатки, связанного с диабетической ретинопатией. Характерный вид трехмерной томографической картины диска зрительного нерва уже при очень слабом рассеянии в хрусталике ("игольчатая" структура), искажающая измеряемые объемные параметры представлена на фиг.1.

Технической задачей предлагаемого решения является создание лазерного конфокального двухволнового ретинотомографа для диагностики объемной внутренней структуры сетчатки как в макулярной области сетчатки, так в области диска зрительного нерва in vivo при наличии катаракты, рассеяния в мутной роговице или стекловидном теле, существенно расширяющего диагностические возможности конфокального одноволнового лазерного ретинотомографа. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности лазерного ретинотомографа, например, для ранней диагностики диабетической ретинопатии и макулярной дегенерации, являющихся основной причиной слепоты.

Поставленная задача решается тем, что лазерный конфокальный ретинотомограф, состоящий из инжекционного лазерного диода с длиной волны λ=670 нм, источника тока для накачки лазерного диода, микрообъектива, формирующего сфокусированный зондирующий лазерный пучок, двух микродиафрагм, одна из которых расположена в перетяжке зондирующего лазерного пучка в плоскости предметов, а вторая - в плоскости изображений, сопряженная с первой микродиафрагмой относительно полупрозрачного зеркала для отраженного пучка из зондируемой фокальной области сетчатки, детектирующего фотоприемника, оптического двумерного сканера, оптической системы, перестраивающей фокальное пятно лазерного пучка по глубине сетчатки глаза, согласно решению ретинотомограф содержит дополнительный инжекционный инфракрасный лазерный диод с длиной волны λ=810 нм, лазерный пучок которого является соосным с излучением основного лазерного диода, генератор пилообразного напряжения для модуляции тока инжекции в обоих лазерных диодах с периодом меньшим, чем время индикации одной пространственной точки в сканирующем ретинотомографе и дополнительный фотоприемник, селективно детектирующий излучение на длине волны λ=810 нм.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен характерный вид трехмерной томографической картины диска зрительного нерва при зондировании в одноволновом режиме с длиной волны 670 нм при наличии ранней катаракты, на фиг.2. - блок-схема предлагаемого ретинотомографа, на фиг.3 и фиг.4. представлены экспериментальные результаты подавления спекл-структуры за счет соответствующего усреднения тестовых измерений, на фиг.5 показаны диск зрительного нерва, наблюдаемого с помощью традиционной щелевой лампы и одноволнового лазерного конфокального томографа, где 1 - генератор пилообразного напряжения, модулирующий ток инжекции полупроводниковых инжекционных лазеров по пилообразному закону и периодом повторения импульсов, меньшим времени индикации одной пространственной точки двумерной топограммы.

2, 3 - блоки питания полупроводниковых инжекционных лазеров;

4 - полупроводниковый инжекционный лазер с длиной волны λ₁=670 нм при модуляции частоты излучения по пилообразному закону, вызванной изменением тока инжекции лазерного диода;

5 - полупроводниковый инжекционный лазер с длиной волны λ₂=810 нм при модуляции частоты излучения по пилообразному закону, вызванной изменением тока инжекции лазерного диода; 6 - двухволновый смеситель соосных лазерных пучков; 7 - микрообъектив, формирующий сфокусированный двухволновый лазерный пучок; 8, 9 - фотоприемники с селективными фильтрами на соответствующие длины волн λ₁ и λ₂, для регистрации рассеянного назад из сетчатки лазерного излучения; 10, 11 - система двух микро-диафрагм, ортогонально соосных относительно делителя лазерного пучка - 12; 13 двухволновый делитель, отраженного пучка для одновременного детектирования отраженного излучения двумя фотоприемниками; 14 - двухкоординатный оптический сканер лазерного пучка с фокусирующей системой, позволяющей получать последовательность двумерных топограмм 15 - оптическая система, перестраивающая фокальное пятно по глубине зондируемой сетчатки; 16 - исследуемая сетчатка глаза при наличии катаракты.

В основе предлагаемого устройства когерентного оптического ретинотомографа с девиацией частоты лежит обнаруженный авторами спекл-фотохромный эффект (Акчурин Г.Г., Акчурин А Г. // Опт и спектр, 2005, том 98, вып.2, с.300-308), заключающийся в динамике спеклов рассеянного когерентного оптического излучения при изменении частоты зондирующего лазера. При зондировании объемных оптически неоднородных сред в рассеянном оптическом поле вследствие явления интерференции когерентных волн возникает определенное спекл-поле, которое детектируется, например, ПЗС-матрицей фотоприемников видеокамеры. При неизменной частоте зондирующего лазерного излучения наблюдается стационарная картина спекл-поля, а при перестройке частоты возникает пространственное смещение спекл-структур, зависящее от скорости перестройки частоты лазера и величины девиации. Обнаружено, что если девиация частоты зондирующего излучения изменяется на величину, соизмеримую с обратным временем средних фазовых задержек рассеянных волн в объемной оптически неоднородной среде, то двумерный коэффициент корреляции интенсивности спекл-поля уменьшается в два раза.

Экспериментально апробация эффекта по наблюдению динамики спеклов произведена на тестовых сильно рассеивающих структурах типа фторопласта толщиной от десятков микрон до 2-х сантиметров. Частота излучения одночастотного лазера может перестраиваться на величину ширины линии излучения. Нами в экспериментах использовались полупроводниковый инжекционный лазерный диод (λ=650 нм и λ=810 нм) с перестройкой частоты изменением тока инжекции в пределах десятков и сотен ГГц

Обнаруженный спекл-динамический эффект наблюдается и при рассеянии на регулярных структурах типа многомодового оптического волокна и фотонных кристаллах. Экспериментально нами было установлено, если девиация частоты излучения лазера больше величины межмодовой дисперсии многомодового оптического волокна, в выходном излучении световода наблюдается динамическая спекл-структура. Если девиация частоты лазерного излучения близка к нулю, то спекл-структура на выходе волокна, возникающая вследствие интерференции волноводных мод, неподвижна. Если девиация частоты больше межмодовой дисперсии волноводных мод (фазовой задержки), а период изменения частоты меньше, чем быстродействие цифровой видеокамеры, то происходит усреднение спеклов.

На фиг.3. представлена контрастная спекл-структура, возникающая в излучении с выходного конца типичного многомодового волокна (диаметр центральной жилы 50 микрон, оболочки 125 микрон, числовая апертура NA=0.2; длина волокна 10 метров) при зондировании излучением полупроводникового лазерного диода с постоянными током инжекции и, соответственно, постоянной частотой излучения лазерного диода, излучение которого детектируется с помощью ПЗС цифровой черно-белой видеокамеры типа "Video-Scan" VS-CCT-075, имеющей пространственное разрешение сравнимое с разрешением глаза человека.

На фиг.4. показан эффект подавления спекл-структуры при использовании лазерного диода с модуляцией тока инжекции лазерного диода, вызывающей девиацию частоты лазера Δν, большей, чем величина межмодовой дисперсии (определяемой эффективной величиной фазовых задержек волноводных мод в волокне, возбуждаемых в оптическом волокне определенной длины) при периоде модуляции (Т=0.1 мс) меньшем, чем быстродействие цифровой видеокамеры.

Таким образом обнаруженный фотохромный эффект динамики спеклов позволяет подавить спекл-модуляцию рассеянного когерентного оптического поля и предлагаемый лазерный конфокальный ретинотомограф с девиацией частоты позволит подавить спекл-шум («игольчатость») и получать изображения сетчатки глаза и оценивать геометрические параметры (экскавация диска зрительного нерва) несмотря на наличие рассеивающих структур в виде катарактального хрусталика или помутневшей роговицы.

Для расширения функциональных возможностей лазерного ретинотомографа, например для ранней диагностики диабетической ретинопатии, являющейся основной причиной слепоты, необходим анализ состояния сосудистой системы сетчатки. Для такой неинвазивной диагностики предлагается измерения на двух длинах волн, одна из которых соответствует изобестической точке (λ=810 нм), в которой поглощение гемоглобина крови одинаково для оксигенированной (артериальной) и неоксигенированной (венозной) крови, а зондирование на другой длине волны λ=670 нм соответствует минимальному коэффициенту поглощения артериальной крови (Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов. 1998. 377 с.).

Получение разностной трехмерной цифровой картины при зондировании на λ=670 нм и λ=810 нм, которая должна позволить оценить степень разрастания сосудов и их насыщенность кислородом, а также отек макулярной области сетчатки, так как коэффициенты рассеяния биотканями практически одинаковы для этих зондирующих длин волн, а коэффициенты поглощения отличаются более чем на порядок, при этом коэффициент экстинкции, ответственный за интенсивность отраженного сигнала, равен их сумме. Двухволновая диагностика с помощью такого ретинотомографа позволяет идентифицировать капиллярную сеть вен и артерий для оценки кровоснабжения сетчатки, что должно позволить проводить раннюю диагностику возрастной макулярной дегенерации (ВДМ) (по данным Американской Академии офтальмологии ВДМ имеет место у 15% населения в возрасте 40-80 лет и ежегодно обнаруживается 200 тыс. новых случаев ВДВ влажного типа, приводящих к слепоте). Кроме того, двухволновый ретинотомограф должен позволить оценивать эффективность фотодинамической терапии опухолей глаза и макулярной дегенерации, вызванной образованием кровеносных сосудов при аномальной пролиферации клеток. В настоящее время фотодинамическая терапия с визудином является единственным методом лечения возрастной макулярной дистрофии (ВДМ) - одной из самой частой причины слепоты (13 млн. американцев отмечается ВДМ).

Диагностика сетчатки зрительного нерва с помощью одноволнового ретинотомографа позволяет измерять геометрические параметры, например глубину диска зрительного нерва (экскавацию) и его потенциальные возможности. Так как оптический когерентный ретинотомограф измеряет величину отраженного лазерного излучения, то в этом сигнале содержится информация о поглощении тканей и сосудов. Контрастность положения кровеносных сосудов нетрудно видеть из сравнения диска зрительного нерва, наблюдаемого с помощью традиционной щелевой лампы, и одноволнового лазерного конфокального томографа, показанного на фиг.5. Зондирование на двух длинах волн, одна из которых одинаково поглощается кровью (810 нм), и на другой с разным коэффициентом поглощения должно в разностном сигнале идентифицировать контрастные геометрические положения артериальных и венозных капилляров, что необходимо для оценки ретинопатии.

Лазерный конфокальный ретинотомограф, состоящий из инжекционного лазерного диода с длиной волны λ=670 нм, источника тока для накачки лазерного диода, микрообъектива, формирующего сфокусированный зондирующий лазерный пучок, двух микродиафрагм, одна из которых расположена в перетяжке зондирующего лазерного пучка в плоскости предметов, а вторая в плоскости изображений, сопряженная с первой микродиафрагмой относительно полупрозрачного зеркала для отраженного пучка из зондируемой фокальной области сетчатки, детектирующего фотоприемника, оптического двумерного сканера, оптической системы, перестраивающей фокальное пятно лазерного пучка по глубине сетчатки глаза, отличающийся тем, что ретинотомограф содержит дополнительный инжекционный инфракрасный лазерный диод с длиной волны λ=810 нм, лазерный пучок которого является соосным с излучением основного лазерного диода, генератор пилообразного напряжения для модуляции тока инжекции в обоих лазерных диодах с периодом меньшим, чем время индикации одной пространственной точки в сканирующем ретинотомографе и дополнительный фотоприемник, селективно детектирующий излучение на длине волны λ=810 нм.