Доплеровская оптическая когерентная томография - Doppler optical coherence tomography

Доплеровская оптическая когерентная томография
Цель	изображения ткани через обратно рассеянный свет

Оптической когерентной томографии (ОКТ) - это метод, позволяющий отображать изображения ткани с помощью рассеянный назад свет.

Допплеровская оптическая когерентная томография не только сохраняет превосходное качество ОКТ, но и сочетает в себе Эффект Допплера принцип в целом, что приводит к томографические изображения с высоким разрешением.^[1]

История

Из-за признанного значения неинвазивный методы визуализации в области медицины, особенно для визуализации in vivo кровоток, Октябрь в последнее время стала популярной темой исследований.^[1] Допплеровская оптическая когерентная томография не только сохраняет превосходное качество ОКТ, но и объединяет принцип эффекта Доплера в целом, что приводит к томографический изображения с высоким разрешением со статическими и движущимися элементами.^[2]

В 1991 году было впервые применено стробирование когерентности для локализованных скорость потока Сообщалось. Автор этой статьи измерил одномерную скорость потока частицы, который преуспел в измерениях стробирования когерентности.^[1] Ученые продолжают находить способы измерения двумерной скорости, и первый результат был опубликован в 1997 году, когда было сообщено с использованием спектрограмма при выполнении in vivo DOCT.^[3] Те же недостатки возникают при использовании спектрограммный метод для получения изображений структуры ткани и скорости потока in vivo, поскольку ОКТ в спектральной области ограничивается быстрой визуализацией. Доплеровская ОКТ с фазовым разрешением, основанная на изобретении ОКТ в Фурье-области, была изобретена для преодоления этих ограничений.^[1]

Существует два типа Doppler OCT: Doppler OCT во временной области и Фурье-домен Доплеровский ОКТ. Основной принцип доплеровской ОКТ с фазовым разрешением использует изменение фазы между последовательными сканированиями A-линии для скорость реконструкция изображения. Благодаря этому принципу значительно увеличивается скорость сканирования. При развязке пространственного разрешающая способность и чувствительность к скорости в изображениях потока, опять же, это увеличивает скорость изображения.^[1]Это улучшение показывает заметное увеличение скорости сканирования и чувствительности, что позволяет получать изображения тканей in vivo. микроциркуляция в коже человека.^[4] Благодаря исключительно высокому пространственному разрешению и чувствительности к скорости доплеровская ОКТ занимает свое собственное место в области биомедицинские исследования и клиническая медицина.^[5]

Принципы допплеровской ОКТ

Томограмма оптической когерентности кончика пальца. Можно наблюдать потовые железы, имеющие «штопорный вид».

Доплеровская оптическая когерентная томография - это расширение ОКТ, в котором сочетаются Принцип эффекта Доплера для достижения высокого разрешения томографический изображения в биологических тканях. А из-за его высокого разрешения и чувствительности к скорости его можно найти во многих областях медицины. Базовый феномен допплеровской ОКТ можно объяснить ниже. Свет излучается прибором источник света, и входит в среду. Свет попадает в движущиеся частицы и рассеянный назад из образца. Затем свет вмешивается со светом в опорном пучке, в результате чего Доплеровская частота сдвиг ${\displaystyle F_{D}}$ в интерференционной полосе:

${\displaystyle F_{D}\left(v\right)=\left[\left({\frac {1}{2\pi }}\right)\right]\cdot (v)(k_{o}-k_{i})\qquad \quad (1)}$

куда ${\displaystyle k_{i}}$ и ${\displaystyle k_{o}}$ находятся волна векторы падающего и рассеянного света, а v - скорость движущейся частицы, которую обнаруживает прибор. Допплеровская ОКТ измеряет свет, обратно рассеянный от среды образца. Угол между потоком частиц и падающим световым лучом равен θ, тогда доплеровский сдвиг упрощается до

${\displaystyle F_{D}\left(\theta \right)=\left[\left({\frac {2Vcos\theta }{\lambda }}\right)\right]\qquad \quad (2)}$

куда ${\displaystyle \lambda _{0}}$ это длина волны источника света.

Аппаратная система доплеровской ОКТ является расширением системы ОКТ. Также используется волоконно-оптический кабель. Интерферометр Майкельсона с широкополосный свет как источник. Основное различие заключается в том, что происходит при обработке сигнала. После излучения широкополосного источника света свет проходит через 2,2 волоконный соединитель, которые поровну и раздельно разделяют свет на эталонное и эталонное плечо. Свет, который проходит через рычаги для образцов, попадает в среду для образцов и рассеивается обратно. В то же время свет в эталонном плече отражается обратно от зеркала и связывается со светом в плече образца. ${\displaystyle P_{ODT}}$ дан кем-то

${\displaystyle F_{ODT}\left(\nu \right)=2S_{0}\left(\nu \right)K_{r}\left(\nu \right)K_{s}\left(\nu \right)cos[2\pi \nu \ ((\Delta +2nV_{z}t)/c+\tau )]\qquad \quad (3)}$

Соответствующий сигнал во временной области, ${\displaystyle T_{ODT}}$, дан кем-то

${\displaystyle T_{ODT}\left(\tau \right)=2\int S_{0}\left(\nu \right)K_{r}\left(\nu \right)K_{s}\left(\nu \right)cos[2\pi \nu \ ((\Delta +2nV_{z}t)/c+\tau )]\,d\nu .\qquad \quad (4)}$

Преобразование Фурье Соотношения между сигналами временной области и сигналами спектральной области показаны в приведенных выше уравнениях, которые соответствуют двум типам ОКТ. В результате и метод временной области, и метод области Фурье могут обеспечить высокое разрешение.

Доплеровская ОКТ во временной области на основе метода спектрограммы

Область времени Допплеровская ОКТ использует спектрограмма метод создания изображения.^[1] Когда спектр изменяется со временем, он определяется как спектрограмма. Спектр мощности представляет собой мощность сигнала на определенных частотах, которую можно использовать для расчета спектрограммы.^[1] Кратковременное быстрое преобразование Фурье (STFFT) используется для расчета спектра мощности.

${\displaystyle T_{ODT}\left(\tau \right)=(STFFT(f_{m},\tau _{ODT}))^{2}\qquad \quad (5)}$

куда ${\displaystyle f_{m}}$ это различные частота.

Скорость потока жидкости можно рассчитать как:

${\displaystyle V_{ODT}\left(i\right)={\frac {\lambda _{0}f_{D}}{2ncos\theta }}={\frac {\lambda _{0}(f_{c}-f_{o})}{2ncos\theta }}\qquad \quad (6)}$

куда ${\displaystyle f_{D}}$ - доплеровский сдвиг частоты, ${\displaystyle f_{0}}$ это несущая частота, ${\displaystyle f_{c}}$ - частота центроида, а θ - угол между ki и v.^[1]

При работе с высокоскоростной визуализацией из-за многих факторов скорость чувствительность недоволен. Когда разрешение скорости увеличивается, скорость изображения и пространственное разрешение уменьшаются. В результате метод спектрограммы не может удовлетворить как высокую скорость построения изображений, так и высокую чувствительность к скорости.^[1]

Метод допплеровской ОКТ с фазовым разрешением

В каждом сканировании фаза будет разной. Доплеровская ОКТ с фазовым разрешением использует этот фазовый переход для получения изображений скорости потока, которые позволяют получать как высокую скорость визуализации, так и высокую чувствительность к скорости, а также высокое пространственное разрешение. Вычисляя изменение фазы, доплеровский сдвиг частоты ${\displaystyle f_{n}}$ можно определить:^[1]

${\displaystyle f_{n}={\frac {\Delta \Phi }{2\pi T}}\qquad \quad (7)}$

В стандартное отклонение Доплеровский спектр выглядит следующим образом:

${\displaystyle \sigma ^{2}={\frac {\int (f-f_{D})^{2}(P\left(f\right))df}{\int (P\left(f\right))df}}\qquad \quad (8)}$

где P (f) - доплеровский спектр мощности, а ${\displaystyle f_{D}}$ это центроид значение доплеровского сдвига частоты.^[1]

Изменение скорости потока влияет на значение стандартное отклонение. Когда разница в скорости потока становится больше, спектр доплеровских частот становится шире. В результате стандартное отклонение становится больше.^[1]

Метод доплеровской ОКТ с фазовым разрешением в Фурье-области

ОКТ в области Фурье измеряет интерференционные полосы в спектральной области.^[1] Есть два метода: спектрометр основанная система^[6][7] и система на основе развернутого лазерного источника ^{[8][9][10][11][12]} для получения высокой чувствительности к скорости, высокой скорости изображения и различного диапазона скоростей ^{[13][14][15][16][17]}

Рекомендации

1. В. Дрекслер, Дж. Фудзимото, Оптическая когерентная томография: технология и применение, с. 621-651, г. ISBN  978-3-540-77549-2 (2008)
2. Z. Chen, T.E. Милнер, С. Шринивас, X.J. Ван, А. Малекафзали, M.J.C. ван Гемерт, Дж. Нельсон, Опт. Lett. 22, 1119 (1997)
3. Z. Chen, T.E. Милнер, Д. Дэйв, Дж. Нельсон, Опт. Lett. 22, 64 (1997)
4. Ю. Чжао, З. Чен, К. Саксер, К. Шен, С. Сян, Дж. Ф. де Бур, Дж. Нельсон, Opt. Lett. 25, 1358 (2000)
5. Ян, Виктор X. Д. (Виктор Сяо Донг) (2004). Эндоскопическая допплеровская оптическая когерентная томография [микроформа]. Диссертация (Ph.D.) - Университет Торонто. ISBN  978-0-612-94418-3.
6. М. Войтковский, В.Дж. Сринивасан, Т. Ко, Дж.Г. Фудзимото, А. Ковальчик, Дж. С. Дукер, Опт. Exp. 12, 2404 (2004)
7. Б. Ценсе, Н. Нассиф, Т.С. Чен, М. Пирс, С. Юн, Б. Парк, Б. Баума, Г.Дж. Тирни, Дж. Ф. де Бур, Опт. Lett. 12, 2435 (2004)
8. S.H. Юн, Г.Дж. Тирни, Дж. Ф. де Бур, Н. Ифтимия, Б. Э. Баума, Опт. Exp. 11 2593 (2003)
9. S.H. Юн, К. Буду, Г.Дж. Тирни, Б. Баума, Опт. Lett. 28 января 1981 (2003)
10. Дж. Чжан, Дж. Нельсон, З. Чен, Опт. Lett. 30, 167 (2005)
11. Дж. Чжан, Дж. Нельсон, З. Чен, Опт. Exp. 12, 6033 (2004)
12. М.В. Шаруник, М.А. Чома, К. Ян, Дж. А. Изатт, Опт. Exp. 13, 957 (2005)
13. Р.А. Leitgeb, L. Schmetterer, W. Drexler, A.F. Fercher, R.J. Завадски, Т. Байрашевски, Опт. Exp. 11, 3116 (2003)
14. Б.Р. Уайт, М. Пирс, Н. Нассиф, Б. Ценс, Б.Х. Парк, Г.Дж. Тирни, Б. Баума, Т. Чен, Дж. Ф. де Бур, Опт. Exp. 25, 3490 (2003)
15. Л. Ван, Ю. Ван, М. Бачаман, Г. П. Ли, З. Чен, Опт. Commun. 242, 345 (2004)
16. Дж. Чжан, З. Чен, Опт. Exp. 13, 7449 (2005)
17. Б. Вакок, С. Юн, Дж. Ф. де Бур, Г. Тирни, Б. Э. Баума, Опт. Exp. 13, 5483 (2005)