ВВЕДЕНИЕ
4
ГЛАВА 1. Обзор литературы 11
1.1. Оптическая когерентная томография (ОКТ) 11
1.2. Возможности ОКТ в исследовании биологических объектов 15
1.3. Использование поляризованного излучения в ОКТ 24
1.3.1. Сохраняющее поляризацию волокно в ОКТ 24
1.3.2. Оптимизация оптических схем для повышения отношения сигнала
к шуму 27
1.3.3. Поляризационно-чувствительная ОКТ (ПЧ ОКТ) 31
ГЛАВА 2. Корреляционно-временной анализ низкокогерентных интерференционных схем с дефектами анизотропии в оптическом тракте 34
2.1. Принципы корреляционно-временного подхода в интерферометрии с широкополосными источниками поляризованного излучения 34
2.2. Корреляционно-временной анализ в случае одного дефекта анизотропии в оптическом тракте 40
2.2.1. Дефекты при торцевом сочленении двух сохраняющих поляризацию оптических волокон 40
2.2.2. Модель искусственно наведенного дефекта анизотропии в сохраняющем поляризацию оптическом волокне 46
2.2.3. Экспериментальное исследование эффекта вычитания в случае наведенного дефекта анизотропии 54
2.3. Корреляционно-временной анализ для произвольного количества дефектов анизотропии в оптическом тракте 59
2.3.1. Вывод общей формулы 59
2.3.2. Определение амплитуд и задержек 65
2.3.3. Теория возмущений 69
2
2.3.4. Учет дисперсии оптического тракта 72
2.3.5. Примеры применения корреляционно-временного анализа 74
2.3.5.1. Дефекты анизотропии до светоделительного элемента 74
2.3.5.2. Экспериментальное и теоретическое исследование дефектов анизотропии в плечах низкокогерентного интерферометра 76
2.4. Заключение 81
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование расширения возможностей ОКТ для исследования биологических объектов с помощью поляризованного излучения 84
3.1. Введение 84
3.2. ОКТ для улучшения качества рефракционной хирургии глаза 85
3.3. Совместное исследование свойств биотканей с помощью кросс-поляризационной и стандартной ОКТ 109
3.4. Заключение 124
ГЛАВА 4. Поляризованное излучение для повышения эффективности использования мощности источника в методе ОКТ 126
4.1. Повышение отношения сигнала к шуму в ОКТ за счет ослабления мощности в опорном плече 126
4.2. Повышение отношения сигнала к шуму в ОКТ за счет оптимального распределения мощности источника в портах светоделителя 130
4.3. Заключение 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Оптическая когерентная томография (ОКТ) [1-6] - новый неинвазивный метод построения двумерных образов внутренней микроструктуры как прозрачных [1], так и сильно рассеивающих объектов [2] с пространственным разрешением от единиц [7] до 20-25 мкм на глубину до нескольких сантиметров в прозрачных и до 2-3 мм в рассеивающих средах. Повышенный интерес к данному методу обусловлен возможностью получения прижизненной информации о внутренней структуре биообъектов с высоким разрешением в режиме реального времени. По сравнению с другими методами визуализации биотканей такими как, ЯМР томография [8-10] и ультразвуковая томография [11-13], ОКТ обладает более высоким разрешением, относительной простотой метода и дешевизной. Конфокальная микроскопия [14-16] обладает большим по сравнению с ОКТ разрешением, однако глубина визуализации данным методом не превышает нескольких сотен микрон. Кроме того, диапазон применения конфокальной микроскопии ограничен лишь слабо рассеивающими средами. Последнее ограничение может быть устранено совмещением ОКТ и конфокальной микроскопии, что привело к созданию оптической когерентной микроскопии (ОКМ) [17-19].
Метод ОКТ основан на получении двумерных изображений приповерхностных слоев биотканей с использованием интерферометрии излучения ближнего ИК диапазона с малой длительностью когерентности (несколько десятков фемтосекунд). Для ранней диагностики неопластических и других патологических процессов необходимы неинвазивные методы, обладающие высоким пространственным разрешением. ОКТ является одним из наиболее многообещающих методов в этой области. Показателем перспективности метода может служить тот факт, что всего за десять лет со времени его появления в 1991 г. было опубликовано более 800 работ, посвященных ОКТ и его применениям. Кроме того, в течение последних 5 лет
4
на каждой крупной конференции по применению оптических методов в медицине обязательно есть отдельная секция, посвященная ОКТ. Однако, несмотря на значительные успехи, возникают сложности продвижения ОКТ в клиническую, практику, связанные с нетранспортируемостью ОКТ установок, а также отсутствием воспроизводимости результатов. Данная проблема может быть решена при использовании удерживающих поляризацию оптических волоконных световодов. В этом случае динамический диапазон прибора и качество получаемых образов биотканей может сильно ограничиваться паразитными областями когерентности, связанными с дефектами анизотропии оптического тракта. Влияние данных областей когерентности на ОКТ сигнал может быть подавлено за счет использования поляризованного излучения. Применение поляризованного излучения позволяет также увеличить глубину видения ОКТ и контрастность визуализируемых данным методом слоев биотканей за счет эффективного использования мощности источника. Достаточная глубина видения (2-3 мм) и контрастность получаемых образов необходима для уверенной диагностики большого числа патологий в стоматологии, дерматологии, офтальмологии и других областях медицины. Глубину видения можно повысить также за счет увеличения мощности источника, однако, мощность надежных и компактных источников низкокогерентного излучения - суперлюминесцентных диодов обычно ограничена несколькими милливаттами. Другая проблема, которая может быть решена при использовании поляризованного излучения, связана с недостаточной специфичностью ОКТ. С помощью ОКТ затруднительно отличать различные по природе патологические изменения такие, как хроническое воспаление, рак, папилломатоз и рубцовые изменения. Получение нового вида информации по сравнению с нечувствительной к состоянию поляризации ОКТ позволит существенно повысить такие показатели, как информативность и специфичность метода.
5
Цель работы. Целью настоящей работы является исследование влияния дефектов анизотропии оптического тракта на ОКТ изображения, а также расширение возможностей ОКТ для изучения биологических объектов и повышение эффективности использования мощности источника в интерференционных схемах для ОКТ с помощью поляризованного излучения с малой длительностью когерентности. В связи с поставленной целью работа была направлена на решение следующих задач.
1. Теоретическое и экспериментальное исследование распространения поляризованного излучения с малой длительностью когерентности в анизотропном оптическом тракте с дефектами анизотропии и влияния данного тракта на корреляционные характеристики излучения.
2. Создание на основании результатов проведенного анализа ОКТ установки с использованием удерживающих поляризацию волоконных световодов, предназначенной для широкого круга применений.
3. Применение поляризованного излучения для повышения диагностической ценности метода ОКТ при экспериментальном исследовании биологических объектов.
4. Исследование возможных путей применения поляризованного излучения для повышения эффективности использования мощности источника.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы по состоянию вопроса, главы, посвященной теоретическому и
экспериментальному исследованию вопросов распространения низкокогерентного излучения в оптическом тракте с дефектами анизотропии, возникающих при разработке оптического когерентного томографа; главы, посвященной исследованию повышения возможностей ОКТ при изучении биотканей, и главы, посвяшенной повышению использования эффективности мощности источника в методе ОКТ с помощью поляризованного излучения.
Также диссертация включает в себя заключение и список цитируемой литературы, состоящий из 138 источника. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, из которых основное содержание составляет 135 страницы, 31 .рисунок и 1 таблицу.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. При распространении низкокогерентного излучения в удерживающих поляризацию световодах с большим линейным двулучепреломлением и дефектами анизотропии в результате энергетического обмена между ортогональными поляризационными модами и последующего их разбегания на длину, превышающую длину когерентности, корреляционная функция поля распадается на несколько областей (пиков) когерентности. Для расширения возможностей методов анализа низкокогерентных интерференционных схем эти области когерентности целесообразно рассматривать как самостоятельные структуры (корреляционно-временной подход).
2. При исследовании дефектов анизотропии оптического тракта с помощью интерферометра Майкельсона обнаруживается эффект вычитания областей когерентности в ортогональных поляризациях. Глубина вычитания определяется анизотропией коэффициента ответвления светоделительного элемента и/или дихроизмом оптического тракта. При этом вычитание отсутствует для областей когерентности, связанных с дефектами анизотропии, которые расположены в плечах интерферометра.
3. Толщина слабо рассеивающих объектов, имеющих резкие границы, может быть измерена с точностью, существенно превышающей длину когерентности источника, за счет приема рассеянного в толще объекта света. Это позволяет использовать метод ОКТ для высокоточного
7
измерения в случае, когда прием зеркальной компоненты отраженного сигнала невозможен.
4. Способность покровных тканей рассеивать назад излучение в ортогональной поляризации связано с количественным содержанием, локализацией и пространственной ориентацией коллагеновых волокон стромы. При этом рассеяние назад в ортогональной поляризации у здоровых тканей связано как с деполяризацией линейно поляризованного излучения, так и с изменением состояния поляризации при сохранении высокой степени поляризации излучения. Последнее свойство биотканей связано с присущим им макроскопическим двулучепреломлением. В то же время патологически измененные ткани проявляют лишь способность деполяризовать исходное излучение. Степень деполяризации зондирующего излучения злокачественными (раковыми) тканями существенно меньше по сравнению с доброкачественными (рубцовыми).
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
• разработан метод корреляционно-временного анализа для расчета
влияния оптического тракта с дефектами анизотропии на корреляционные характеристики поляризованного излучения в схемах с широкополосными источниками;
• обнаружен эффект вычитания областей когерентности в
низкокогерентном интерференционном сигнале, связанных с дефектами анизотропии оптического тракта;
• методом совместного использования стандартной и кросс-
поляризационной ОКТ экспериментально исследована способность биотканей обратно рассеивать свет в прямой и ортогональной поляризациях в норме и патологии.
• предложена интерференционная схема, повышающая эффективность использования источника до 4-х раз в методе ОКТ по сравнению с традиционной схемой;
• предложено использование рассеянной компоненты света для улучшения качества рефракционной хирургии при контроле коррекции рефракционных аномалий глаза методом ОКТ.
Практическая значимость. В результате проведенных исследований получены данные, которые могут быть использованы:
1. для совершенствования методов расчета интерференционных схем и экспериментальных методик диагностики их дефектов;
2. для повышения качества ОКТ приборов, устранения артефактов на получаемых образах биотканей и повышения информативности получаемой данным методом информации;
3. для совершенствования методов in situ контроля и, как следствие, для повышения качества лазерной коррекции рефракционных аномалий глаза;
4. для дифференциальной диагностики неопластических и рубцовых изменений в покровных тканях.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались как на международных конференциях в России: Российско-Германский симпозиум по лазерам RGLS’2000, (2000, Суздаль), International Quantum Electronics Conference IQEC (2002, Москва), Third International Symposium Modern Problems of Laser Physics MPLP-2000 (2000, Новосибирск),
так и за рубежом: BiOS of Conference Photonics West 1998-2001 (San-Jose), OSA Biomedical Topical Meeting on Advances in optical imaging and photon migration 1998,2002, (Miami), Conference on lasers and electro-optics CLEO 1995, 1998, (Baltimore), 17th International Cancer Congress 1998 (Rio de Janeiro),
9
и опубликованы в следующих 22 работах: 3, 36, 37 39, 41, 73-75, 78, 90-93, 114-116, 120-124, 129.
Автор выражает свою благодарность научному руководителю Геликонову В.М. за поддержку в работе над диссертацией. Автор также выражает благодарность Андроновой И. А., Каменскому В. А., Ханину Я. И., Сергееву А.М., Гладковой Н.Д. за плодотворные обсуждения вопросов, связанных с диссертационной работой, Когану В.Р. за консультации по некоторым математическим вопросам, затронутым в диссертационной работе, и всем соавторам по работам, положенным в основу диссертации.
10
ГЛАВА 1. Обзор литературы
1.1. Оптическая когерентная томография
Экспериментальное исследование оптическими методами структур внутри биотканей затруднено, как правило, сильным рассеянием последними излучения. Информативная компонента излучения - отраженная или однократно рассеянная под углом близким к 180° от изучаемого объекта, замывается неинформативной многократно рассеянной компонентой от других структур в биотканях. Для извлечения информации об изучаемых структурах, расположенных в глубине, необходимо отделять (селектировать) информативную компоненту зондирующего излучения от неинформативной.
Идея временной селекции отраженной и однократно рассеянной компоненты света для контрастирования изображений объектов, находящихся на определенном расстоянии от фотокамеры с помощью быстрого затвора, была высказана в конце шестидесятых [20]. Тот же метод использовали Бгщиау и МаЦйс в 1971 г [21] для визуализации плоских изображений через слаборассеивающую среду. Вследствие использования пикосекундных технологий (длительность импульсов 7-15 ггс, время срабатывания оптического затвора менее 10 пс) достигнутое ими разрешение составило около 3 мм. Кроме того, в данной работе впервые было предложено использование селекции информативной компоненты света для «видения сквозь кожу» при дальнейшем укорочении времен лазерных импульсов до одной и менее пикосекунды. В частности в работе предлагалось визуализировать сосуды.
С появлением фемтосекундных лазерных технологий [22] стала возможна селекция информативной компоненты света на масштабах порядка нескольких десятков микрометров. Однако отсутствие затворов с требуемыми временами срабатывания (50-100 фс) привело к созданию иного способа селекции информативной компоненты света. В 1986 г. впервые для селекции
11
нерассеянной компоненты света группой под руководством проф. Фуджимото из Массачусетского Института технологий (MIT) была применена интерференционная методика [23]. В работе [23] была показана возможность измерений характерных масштабов в приповерхностных слоях биологических тканей. Интерференционная методика является гетеродинной, что обеспечивает ее высокую чувствительность - в работе [23] чувствительность составляла 10‘7 от падающей на объект энергии в импульсе. В качестве источника при этом использовался фемтосекундный кольцевой лазер на красителях (длительность импульса 65 фс) с центральной длиной волны около 625 мкм. Точность метода составляла 15 мкм.
Практически в то же время интерференционный метод с широкополостными источниками непрерывного оптического излучения был развит для локации неоднородностей в оптических волокнах [24-26]. Разрешение по глубине при этом определяется длиной когерентности источника. Данный метод был применен в 1988 г. для биометрии глаза группой из Венского Университета под руководством Адольфа Ферчера [27]. В качестве источника использовался полупроводниковый лазер с простейшей поперечной структурой электрического поля и большим числом продольных мод. Ширина спектра лазера составляла 2 нм, при этом продольное разрешение составило 30 мкм. В работе [27] впервые было предложено использовать в качестве источника суперлюминесцентный диод (СЛД) [28] для измерения расстояний в биологических объектах с помощью интерференционной методики.
СЛД вследствие относительной дешевизны, надежности и компактности, а также вследствие высокой степени поперечной пространственной когерентности и высокой спектральной яркости излучения, оказались наиболее подходящими источниками для такого типа измерений. Характерная длина когерентности СЛД составляет 15-25 мкм, что эквивалентно разрешению, полученному при использовании в качестве источника фемтосекундного лазера
12
группой под руководством проф. Фуджимото. В последнее время появились также СЛД с длиной когерентности менее Юмкм [29,30]. Таким образом, к концу восьмидесятых годов прошлого века были сформулированы и экспериментально проверены основные аспекты иизкокогерентной интерферометрии, которая лежит в основе метода оптической когерентной томографии.
Принцип низкокогерентной интерферометрии состоит в следующем (см. рис. 1.1). Излучение от низкокогерентного источника поступает в двуплечий интерферометр (в данном случае это интерферометр Майкельсона) после чего с помощью светоделительного элемента часть излучения интерферометра направляется на объект, а другая часть на глухое зеркало. В интерферометре происходит сложение излучения, отраженного или рассеянного исследуемым объектом в предметном плече, и референтного излучения, отраженного от глухого зеркала в опорном плече. Сигнал интерференции может иметь ненулевое значение только в том случае, если оптические пути в плечах интерферометра совпадают с точностью до длины когерентности зондирующего излучения. В большинстве работ сканирование в глубину объекта осуществляется при изменении с постоянной скоростью разности длин сигнального и опорного плеч (А-скан). Для отстройки от фликерного шума интерференционный сигнал принимается на доплеровской частоте = 2у / где V - скорость модуляции, - центральная длина волны источника в вакууме,
и появляется при наличии внутри объекта на соответствующей дистанции оптической неоднородности. Осуществляемая таким образом методика приема обеспечивает большой динамический диапазон за счет сбивания слабого сигнала от объекта с мощным гетеродином (излучение в опорном плече). Так, принятый даже от приповерхностных слоев биоткани рассеянный свет слабее исходного уровня зондирующего излучения на 40-45 дБ. С ростом же глубины
13
- Киев+380960830922