Obrazowanie za pomocą tomografii optycznej OCT z detekcja fourierowską

Książka przedstawia opis teoretyczny podstaw fizycznych działania metody tomografii optycznej OCT (ang. Optical Cofierence Tomography), z uwypukleniem aspektów zwiększonej prędkości metody i rozdzielczości obrazowania. Opisywana metoda obrazowania wykorzystuje interferencję wiązek światła częściowo spójnego do uzyskiwania obrazów przekrojów tkanki w sposób nieinwazyjny i bezdotykowy. Tworzy się dwuwymiarowe obrazy przekrojów, skanując obiekt wiązką światła i wyznaczając lokalizację punktów rozłożonych wzdłuż wiązki penetrującej na podstawie analizy światła powracającego z obiektu do układu pomiarowego. Opisane są tu również podstawy fizyczne rekonstrukcji informacji trójwymiarowej oraz rekonstrukcji informacji o czynności organizmu lub grup komórek. Zaprezentowano układy eksperymentalne i prototypowe skonstruowane podczas badań, jak i wybrane wyniki badań nad tomografią optyczną OCT z detekcją w dziedzinie fourierowskiej. Autor przeprowadził między innymi eksperymentalną weryfikację analiz teoretycznych, które umożliwiają wyznaczenie zakresu stosowalności opisywanej techniki. Zaproponowane sposoby, zarówno kalibracji urządzenia, jak i pomiaru podstawowych parametrów mogą stanowić wzorcową procedurę charakteryzowania układów tomografów optycznych.

W książce ukazany jest praktyczny aspekt prowadzonych badań w zastosowaniach do okulistyki. Autor pokazał możliwości diagnostyczne opracowanej techniki, które zostały zilustrowane przykładami badań klinicznych prowadzonych z wykorzystaniem urządzeń prototypowych. W trakcie prac badawczych, których celem był rozwój wysokorozdzielczych technik tomografii optycznej OCT z detekcją w dziedzinie częstości optycznych, M. Wojtkowski podjął współpracę z okulistami zarówno w kraju (Collegium Medicum UMK, Bydgoszcz), jak i za granicą (New England Eye Center, Boston, USA). Powstały trzy urządzenia prototypowe wspomagające codzienną praktykę diagnostyczną. Za ich pomocą wykonano ponad 2000 badań oczu ludzkich, na których podstawie stawiana była diagnoza choroby.

Spis treści

Przedmowa

Wprowadzenie

I. Fizyczne podstawy tomografii optycznej OCT

I.1. Obrazowanie z wykorzystaniem metod interferometrycznych

I.2. Tomografia optyczna z użyciem światła polichromatycznego

I.2.1. Dyfrakcja światła na obiekcie złożonym

I.2.2. Dyfrakcja w przybliżeniu Borna

I.2.3. Zastosowanie światła polichromatycznego

I.2.4. Interferometria światła polichromatycznego

I.2.5. Rekonstrukcjatomograficzna

I.3. Parametry fizyczne wpływające na obrazowanie

I.3.1. Szumy

I.3.2. Szum koherentny

I.3.3. Parametry optyczne

I.3.4. Parametry ograniczające czułość metody OCT

I.3.5. Parametry wpływające na rozdzielczość metody OCT

II. Tomograf OCT z detekcją fourierowską

II.1. Elementy składowe urządzenia laboratoryjnego

II. 1.1. Interferometr

II.1.2. Detektor

II.1.3. Źródło światła

II.1.4. Układ sterowania i protokoły pomiarowe

II.1.5. Ergonomiczna głowica pomiarowa

II.2. Analiza sygnału

II.2.1. Obliczenie linii tomogramu

II.2.2. Numeryczna kompensacja dyspersji

II.3. Analiza obrazów

II.3.1 Mapy współczynnika odbicia

II.3.2. Analiza ilościowa parametrów tarczy nerwu wzrokowego

II.3.3. Ilościowe określanie stanu zewnętrznych warstw siatkówki

III. Pomiary podstawowych parametrów układu

tomografu OCT

III.1. Pomiary zmian fazy sygnału prążków

III.2. Pomiary spadku czułości

III.3. Pomiary czułości i zakresu dynamicznego

IV. Operacje poprawiające jakość obrazowania

IV.1l. Rekonstrukcja obrazów przekrojów

IV.2. Oszacowanie wpływu szumu plamkowego

IV.3. Analiza wpływu pasożytniczych składowych autokorelacji

V. Zastosowania tomografii optycznej OCT w okulistyce

VI. Obrazowanie siatkówki

VI.1. Struktura siatkówki - obrazy przekrojów

VI.2. Struktura siatkówki - obrazowanie w trzech wymiarach

VI.3 Analiza morfometryczna warstw siatkówki

V.1.4. Obrazowanie schorzeń siatkówki

V.2. Obrazowanie przedniego odcinka oka ludzkiego

Podsumowanie

Literatura

MACIEJ WOJTKOWSKI

(ur. 197 5) uzyskał tytuł magistra fizyki w specjal-ności fizyki eksperymentalnej w 1999 roku na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytety Mikołaja Kopernika. W cztery lata później obronił doktorat i w roku 2003 został zatrudniony w Instytucie Fizyki na stanowisku adiunkta. Dr Maciej Wojtkowski zajmuje się zastosowaniami optyki w medycynie. Prowadzi badania naukowe nad tomografią optyczną z zastosowaniem światła częściowo spójnego (Optical Coherence Tomography - OCT). Swoją pracą wniósł znaczący wkład w rozwój metody spektralnej tomografii optycznej OCT (SOCT). Wraz z kolegami z Zespołu Fizyki Medycznej UMK skonstruował pierwsze na świecie urządzenie do przyżyciowego obrazowania siatkówki ludzkiej za pomocą SOCT. Zastosowanie tej techniki umożliwiło osiągnięcie najkrótszych czasów ekspozycji i jednocześnie pozwoliło udowodnić wyższość techniki spektralnej OCT nad standardową - czasową tomografią optyczną OCT. Te pionierskie prace pozwoliły na konstrukcję urządzenia klinicznego do pomiarów siatkówki i komory przedniej oka ludzkiego z wysoką rozdzielczością podłużną rzędu 3 mikrometrów. Dzięki temu urządzenia OCT były w stanie dokonać pomiarów trójwymiarowych struktur w czasie krótszym niż sekunda. Prototyp tego urządzenia używany jest w klinice okulistycznej Collegium Medicum UMK w Bydgoszczy. Technologia ta została przetransferowana do przemysłu i od roku 2006 urządzenia tomograficzne do badania oka są w sprzedaży.

Swoje doświadczenie w pracy laboratoryjnej zdobywał na wielu stażach naukowych za granicą: na Uniwersytecie Wiedeńskim, Uniwersytecie Kent w Canterbury oraz w Massachusetts Institute of Technology w USA.

W roku 2007 dr Wojtkowski został uhonorowany renomowanym wyróżnieniem - otrzymał grant badawczy European Young lnvestigator Award, w ramach którego jest przewidziane stworzenie własnej grupy badawczej.