УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
DEVICE AND METHOD FOR OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY

Область техники
Изобретение относится к устройству (аппарату) и способу согласно принципу оптической когерентной томографии для регистрации результатов измерений профиля по глубине (глубинного профиля) достаточно прозрачного исследуемого объекта, в частности переднего отрезка человеческого глаза.
Уровень техники
Оптическая когерентная томография (ОКТ) - это интерферометрический метод исследования, в котором излучение, имеющее относительно короткую длину когерентности, используется для измерения расстояний для построения, с помощью интерферометрической установки, глубинных профилей отражающих (по меньшей мере частично отражающих) материалов. Преимуществами оптической когерентной томографии по сравнению с конкурирующими с ней методами являются относительно значительная глубина проникновения (примерно 1-3 мм) в рассеивающую биологическую ткань и в то же время относительно хорошее продольное разрешение (примерно 1-15 мкм) при высокой частоте измерений (к настоящему времени достигнута скорость примерно 20-300 киловокселов/с).
Акустическим методом, соответствующим ОКТ применительно к сформулированной выше задаче измерений, является ультразвуковая диагностика (сонография). ОКТ отличается от методов трехмерных измерений, обладающих чувствительностью к углу (используемых также визуальным аппаратом человека, содержащим два глаза), определением только продольной (осевой) глубины с использованием определенного спектрального интервала (вместо интервала углов) и своей независимостью от числовой апертуры применяемого измерительного аппарата.
В применяемой в настоящее время аппаратуре для ОКТ-измерений используется излучение, содержащее длины волн более 800 нм, а применительно к офтальмологии - в интервале 800-1300 нм. Чтобы измерить глубинный профиль сетчатки, используется предпочтительно излучение с длиной волны примерно 840 нм. Другая используемая длина волны составляет примерно 1060 нм.
0
Уравнение (1) позволяет рассчитать продольное разрешение Δz, которое обеспечивается ОКТ-аппаратом для пучка излучения, находящегося в спектральном интервале, центрированном относительно центральной длины волны λ, и имеющего гауссово распределение с шириной полосы (соответствующей полной ширине на высоте, равной половине максимума), равной Δλ:
0
0
2
Постоянные коэффициенты (не включенные в уравнение) зависят от формы контура спектрального распределения. Фундаментальная зависимость продольного разрешения Δz от спектрального распределения такова, что Δz пропорционально квадрату используемой центральной длины волны λ, деленному на спектральную ширину Δλ, т.е. Δz∞(λ)/Δλ.
На фиг.1 показано пропускание передней части человеческого глаза, в частности роговицы, в зависимости от длины волны. Данные приведены для глаз людей в возрасте 4,5 года (кривая 1) и 53 года (кривая 2). Как можно видеть из фиг.1, пропускание является особенно высоким в спектральном интервале от примерно 800 нм до примерно 1300 нм; затем, на более длинных волнах, оно резко падает, причем это падение вызвано началом поглощения молекулами воды (в полосе поглощения валентных колебаний группы ОН). Благодаря особенно высокой степени пропускания в упомянутом спектральном интервале обеспечивается значительная глубина проникновения. Это является главной причиной использования в современной аппаратуре для ОКТ-измерений в офтальмологии длин волн, превышающих 800 нм.
Недостатком применяемых в офтальмологии в настоящее время аппаратов для ОКТ-измерений, которые используют излучение с длинами волн более 800 нм, является то, что ширина полосы, требуемая для достижения достаточного продольного разрешения, составляющего примерно 10 мкм или менее, может быть достигнута только с применением сложных (т.е. дорогостоящих) широкополосных источников излучения. В офтальмологии продольное разрешение, равное 10 мкм или менее, является необходимым, чтобы различать внутренние слои роговицы или с достаточной точностью задавать положение режущих поверхностей. Соотношение между параметрами, заданное уравнением (1), иллюстрируется на фиг.2.
0
Более конкретно, на фиг.2 представлена зависимость продольного разрешения Δz аппарата для ОКТ-измерений от центральной длины волны λ для излучений, имеющих различную спектральную ширину полосы (спектральный интервал) Δλ. Кривые, представленные на фиг.2, соответствуют излучениям, для которых Δλ составляет 5 нм, 30 нм, 100 нм и 300 нм.
0
0
Чтобы достичь, например, продольного разрешения Δz примерно 10 мкм с центральной длиной волны 800 нм, требуется ширина полосы Δλ около 30 нм. Для получения Δz, составляющей примерно 5 мкм, требуется ширина полосы Δλ около 60 нм для излучения с λ=800 нм и примерно 100 нм для излучения с λ=1100 нм.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании простого аппарата для ОКТ-измерений, обеспечивающего высокое продольное разрешение.
Эта задача решена созданием аппарата согласно п.1 и способа согласно п.12 прилагаемой формулы изобретения.
Более конкретно, создан аппарат для регистрации, в соответствии с принципом оптической когерентной томографии, глубинного профиля биологической ткани, в частности переднего отрезка человеческого глаза. Аппарат содержит:
0
источник излучения, способный излучать пучок лучей с длинами волн в заданном спектральном интервале, имеющем заданную спектральную ширину (Δλ) и включающем операционную длину волны (λ);
интерферометр, содержащий светоделительное устройство, способное пространственно разделять пучок лучей, излучаемый источником излучения, на опорный пучок и измерительный пучок, направленный в сторону указанной ткани; устройство для отклонения опорного пучка, способное отклонять опорный пучок; устройство для пространственного объединения пучков, выполненное с возможностью обеспечивать пространственное объединение отклоненного опорного пучка и измерительного пучка, отклоненного указанной тканью, с образованием результирующего пучка; и
детекторное устройство для детектирования информации, содержащейся в результирующем пучке и ассоциированной с разностью оптических длин пути опорного пучка и измерительного пучка.
Согласно изобретению заданный спектральный интервал представляет собой интервал от более 300 нм до 500 нм.
Использование длин волн в интервале от более 300 нм до 500 нм позволяет, по сравнению с длинами волн, применяемыми в известных аппаратах для ОКТ-измерений, достичь лучшего продольного разрешения при той же ширине полосы и, соответственно, использовать источник излучения с существенно меньшей шириной полосы при достижении сопоставимого продольного разрешения.
Изобретение основано на обнаружении того, в частности, что рассеивающие свойства ткани роговицы человеческого глаза позволяют получить на используемой длине волны сигнал высокой интенсивности при относительно низкой интенсивности падающего света. При осуществлении изобретения предпочтительно применять в качестве источника света суперлюминесцентные диоды. В результате становится возможным обеспечить компактную конфигурацию измерительного аппарата при использовании стабильных и надежных источников света умеренной стоимости.
Заданный спектральный интервал предпочтительно составляет от 350 нм до 450 нм, более предпочтительно от 395 нм до 415 нм и наиболее предпочтительно с центральной длиной волны у 405 нм. В качестве источников излучения в указанных спектральных интервалах предпочтительно применяются полупроводниковые лазерные диоды, в частности полупроводниковые светодиоды (СД) на нитриде галлия (GaN).
Интерферометр и детекторное устройство предпочтительно сконструированы для функционирования с использованием излучения (света) с длинами волн в указанном спектральном интервале. Например, отражающий слой устройства для отклонения опорного пучка сформирован таким образом, что его отражательная способность является максимальной для длин волн в этом спектральном интервале. Светоделительное устройство и/или устройство для пространственного объединения пучков также могут быть сформированы такими, что их пропускание будет максимальным для используемых длин волн. В завершение, детекторное устройство также может быть сконструировано таким, что его чувствительность будет максимальной для детектирования света с используемыми длинами волн.
Аппарат выполнен с возможностью функционировать в соответствии с принципами ОКТ в пространстве Фурье, в частности параллельной ОКТ в пространстве Фурье. С этой целью его опорный пучок может быть, по существу, пространственно постоянным, а детекторное устройство может содержать спектроскопическое устройство, в частности призму или оптическую решетку, способную пространственно разделять результирующий пучок по длинам волн на парциальные пучки (далее - парциальные лучи) с различными длинами волн, и массив детекторов, обладающий пространственным разрешением и способный измерять интенсивности парциальных лучей селективно в отношении их длин волн. Выполненный таким образом аппарат не содержит подвижных оптических элементов, которые могли бы влиять на направление пучка, т.е. обеспечивает чувствительность измерений, стабильную во времени.
Альтернативно, аппарат может быть выполнен с возможностью функционировать в соответствии с принципами ОКТ во временном пространстве. С этой целью оптическая длина пути опорного пучка может модулироваться по времени, в частности, посредством периодического перемещения устройства отклонения опорного пучка, а детекторное устройство может содержать детектор, способный измерять, с разрешением по времени, интенсивность результирующего пучка, промодулированного по времени в результате модуляции опорного пучка. При этом частота семплирования детектора будет выше частоты модуляции опорного пучка предпочтительно вдвое, в частности в десять раз. Выполненный таким образом аппарат может иметь конструктивно более простой детектор, принимающий пространственно ограниченный пучок лучей. Таким образом, детекторное устройство не потребует наличия спектроскопического устройства, в отличие от аналогичного устройства в случае ОКТ в пространстве Фурье.
Наиболее предпочтителен аппарат, действующий в соответствии с принципом параллельной ОКТ во временном пространстве. Такой аппарат содержит источник света, содержащий соответствующую коллимирующую оптику, обеспечивающую формирование широкого параллельного пучка света. Ширина такого пучка составляет, например, от 2 до 10 мм, предпочтительно от 4 до 8 мм, более предпочтительно от 5 до 7 мм. В частности, ширина пучка может быть выбрана такой, что параллельным пучком света облучается полная зона биологической ткани, подвергаемой исследованию (например, полная зона роговицы или птеригия человеческого глаза). Детекторное устройство, пригодное для применения в аппарате для параллельной ОКТ во временном пространстве, содержит фокусирующую оптику и двумерный массив детекторов. При этом указанная оптика введена в ход лучей между устройством для пространственного объединения пучков и массивом детекторов, так что она фокусирует параллельный пучок света, идущий от устройства для пространственного объединения пучков, в плоскости детекторов, ориентированной перпендикулярно оптической оси детекторного устройства. Преимущество такой конструкции состоит в том, что одновременно охватывается относительно большая, в частности полная, зона биологической ткани, подлежащей исследованию. Это сокращает длительность измерений и устраняет необходимость сканирования измерительным пучком по поверхности зоны ткани, подлежащей исследованию (т.е. необходимость отклонять этот пучок в направлении, перпендикулярном его оси).
В зависимости от конструкции излучателя в составе источника света, этот источник также может содержать формирующую оптику, обеспечивающую получение пучка световых лучей, имеющего требуемый профиль, например сфокусированный пучок или параллельный пучок. Соответственно, детекторное устройство может содержать формирующий оптический элемент, который фокусирует широкий параллельный результирующий пучок на это устройство.
С целью когерентного отображения ткани посредством детекторного устройства аппарат может содержать введенную в измерительный пучок оптическую систему измерительного пучка и введенную в результирующий пучок первую оптическую систему результирующего пучка.
Аппарат может дополнительно содержать также введенную в опорный пучок оптическую систему опорного пучка для коррекции разности фаз между опорным и измерительным пучками, обусловленной отрезками оптической длины пути измерительного пучка, находящимися в указанной ткани.
Кроме того, аппарат может содержать в результирующем пучке вторую оптическую систему результирующего пучка, служащую для коррекции погрешностей отображения, обусловленных определенным базовым профилем, например базовым изгибом биологической ткани (такой, как передняя часть глаза), находящейся в измерительном пучке.
Описанный аппарат может использоваться для измерения и визуализации внутренних слоев роговицы человеческого глаза и иметь для этого продольное разрешение 10 мкм, предпочтительно 5 мкм, более предпочтительно 2 мкм.
В способе измерения глубинного профиля биологической ткани, в частности передней части человеческого глаза, в соответствии с принципами оптической когерентной томографии, используют свет, содержащий длины волн в заданном спектральном интервале, имеющем заданную ширину и включающем операционную длину волны.
Согласно изобретению заданный спектральный интервал составляет от 300 нм до 500 нм.
При этом данный способ рассчитан на использование, для своего осуществления, описанного аппарата.
Описанные аппарат и способ могут быть применены для измерений волновых фронтов и для оценки содержащейся в них фазовой информации.
Данные аппарат и способ могут использоваться совместно, т.е. в комбинации друг с другом, для терапевтического (или хирургического) воздействия на биологическую ткань с целью измерения глубинного профиля ткани, модифицируемой посредством указанного воздействия, а также для контроля, посредством данных аппарата и способа, формирования требуемого глубинного профиля.
Краткое описание чертежей
Далее будут более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, описаны различные варианты изобретения.
На фиг.1 иллюстрируется пропускание роговицы человеческого глаза.
0
На фиг.2 продольное разрешение Δz аппарата для ОКТ-измерений представлено как функция центральной длины волны λ для различных значений спектральной ширины полосы Δλ используемого излучения.
На фиг.3 иллюстрируется принцип действия аппарата для ОКТ-измерений согласно принципу ОКТ в пространстве Фурье.
На фиг.4 иллюстрируется принцип действия аппарата для ОКТ-измерений согласно принципу ОКТ во временном пространстве.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показано, что пропускающая способность и, соответственно, пропускание роговицы человеческого глаза на длинах волн, превышающих 325 нм, составляет более 60%, причем оно быстро падает для более коротких длин волн (в связи с присутствием полосы поглощения). Это ограничивает использование длин волн около 300 нм или менее. Было обнаружено, что рассеивающие свойства роговицы в спектральном интервале от более 300 нм до 500 нм особенно благоприятны; в результате достигается высокая интенсивность сигнала от измерительного пучка, отклоненного (рассеянного) биологической тканью.
0
0
Фиг.2 иллюстрирует соотношение (заданное уравнением (1)) между продольным разрешением Δz аппарата для ОКТ-измерений, центральной длиной волны λ и спектральной шириной Δλ спектральной полосы (спектрального интервала) используемого излучения. Из фиг.2 можно видеть, что по сравнению со спектральными интервалами, охватывающими длины волн более 800 нм, которые используются в современных аппаратах, для ОКТ-измерений с использованием длины волны λ в интервале 300-500 нм достигается более высокая продольная разрешающая способность (меньшее значение продольного разрешения Δz) при сопоставимой спектральной ширине. Из фиг.2 можно также видеть, что для получения на длинах волн в интервале 300-500 нм продольного разрешения Δz, сравнимого с разрешением, получаемым для длин волн, превышающих 800 нм, в спектре, излучаемом источником излучения, требуется меньший спектральный интервал Δλ.
Аппарат 100 для ОКТ-измерений в пространстве Фурье, схематично представленный на фиг.3, содержит источник 101 света, излучающий пучок 102 световых лучей. Аппарат содержит также интерферометр Майкельсона, содержащий устройство 120 для разделения пучка световых лучей на опорный пучок 104 и на измерительный пучок 106, объединенное с устройством 150 для пространственного совмещения опорного и измерительного пучков 104, 106 в результирующий (совмещенный) пучок 108 (после того как пучки 104, 106 будут отклонены и возвращены по той же траектории). Пространственно зафиксированное зеркало 130 служит в качестве устройства отклонения опорного пучка, отражая этот пучок, пропущенный светоделительным устройством 120, по существу, точно в обратном направлении. Измерительный пучок 106, отклоненный светоделительным устройством 120, направляется им в сторону подлежащей исследованию ткани (а именно роговицы) 140 человеческого глаза, которая отражает измерительный пучок 106 в обратном направлении. Аппарат 100 для ОКТ-измерений содержит также спектроскопическое устройство 160, сконфигурированное, как призма. Данное устройство пространственно разделяет результирующий пучок 108 на парциальные лучи 110, направления которых (как это проиллюстрировано на фиг.3 стрелкой 112) зависят от длины волны. Детекторное устройство, обладающее разрешением в направлении, по существу, выбранном таким, чтобы обеспечить прием парциальных лучей 110, селективно отклоненных в соответствии с их длинами волн, детектирует излучение в соответствии с распределением интенсивностей парциальных лучей 110.
Подлежащая исследованию ткань (роговица) 140 находится на таком расстоянии от устройства 120, 150, что оптическая длина пути измерительного пучка 106 примерно равна оптической длине пути опорного пучка 104. Возможность измерения глубинного профиля в точке падения измерительного пучка 106 на ткань (роговицу) 140 обеспечивается благодаря тому, что излучение, поступающее в зону приема, пространственно разделено спектроскопическим устройством 160 селективным образом, по длинам волн, на парциальные лучи 110. При этом максимальная интенсивность обеспечивается при конструктивной интерференции измерительного пучка 106 и опорного пучка 104 только для тех парциальных лучей из совокупности всех парциальных лучей 110, для которых разность оптических длин пути для измерительного пучка 106 и опорного пучка 104 равна нулю или целому числу соответствующих длин волн. Место на массиве 170 детекторов, в котором расположен максимум интенсивности, соответствует определенной длине волны и, следовательно, определенному значению разности оптических длин пути для опорного пучка 104 и измерительного пучка 106, для которого пройденный оптический путь соответствует известному, фиксированному оптическому пути опорного пучка. Таким образом, глубина проникновения измерительного пучка увязывается, в пределах продольной разрешающей способности, с положением максимума интенсивности на массиве 170 детекторов.
В ход лучей между устройством 120, 150 и подлежащей исследованию тканью (роговицей) 140 может быть введена формирующая оптическая система (не изображена). Варьированием фокусного расстояния и/или положения вдоль оси данной оптической системы, находящейся в ходе лучей между устройством 120, 150 и тканью, обеспечивается сканирование ткани (роговицы) 140 по глубине. При поперечном смещении или наклоне указанной оптической системы измерительный пучок 106 смещается (сканирует) ткань (роговицу) 140 в поперечном направлении. Тем самым достигается двумерное сканирование точки падения измерительного пучка 106 на ткань, т.е. двумерное сканирование глубинных профилей.
Аппарат 200 для ОКТ-измерений согласно принципам ОКТ во временном пространстве представлен на фиг.4. Он, как и аппарат 100 по фиг.3, содержит схематично представленный источник 101 света, излучающий пучок 102 световых лучей, устройство 120, 150 для разделения пучка 102 световых лучей на опорный пучок 204 и на измерительный пучок 206 и подлежащую исследованию ткань (роговицу) 140.
В отличие от аппарата 100 по фиг.3, аппарат 200 для ОКТ-измерений содержит зеркало 230 (действующее как устройство отклонения опорного пучка), которое совершает периодическое движение в осевом направлении, вперед и назад, как это проиллюстрировано на фиг.4 стрелкой 232. В аппарате имеется также пространственно зафиксированный детектор 270 для приема результирующего пучка 208, формируемого устройством 120, 150 путем пространственного совмещения измерительного пучка 206 и опорного пучка 204, отраженных в обратном направлении, и для измерения интенсивности этого пучка 208 с разрешением во времени.
Вследствие движения зеркала 230 оптический путь, проходимый опорным пучком 204, модулируется по длине. Каждая оптическая длина пути опорного пучка 204, генерируемая посредством этой модуляции, соответствует конкретной оптической длине пути, пройденной измерительным пучком 206, для которого пространственное совмещение опорного пучка 204 и измерительного пучка 206 в результирующий пучок 208 приводит к конструктивной интерференции и, таким образом, к появлению максимальной интенсивности (в ходе развития процесса во времени). Поэтому конкретный момент в процессе измерения интенсивности результирующего пучка 208 может быть ассоциирован с конкретной оптической длиной пути измерительного пучка 206 и, следовательно, с конкретной глубиной проникновения света, отраженного в обратном направлении от ткани (роговицы) 140. Подобно тому, как это имело место для аппарата 100 по фиг.3, аппарат 200 по фиг.4 также может быть снабжен формирующим оптическим устройством (не изображено), установленным в ходе лучей между устройством 120, 150 и тканью (роговицей) 140. Данное устройство фокусирует измерительный пучок 206 на ткань. При варьировании фокусного расстояния и/или перемещении указанного оптического устройства вдоль направления измерительного пучка 206 ткань (роговица) 140 сканируется по глубине проникновения измерительного пучка 206. При поперечном смещении устройства относительно направления измерительного пучка 206 (оптической оси) производится двумерное сканирование по поверхности ткани (роговицы) 140.
Аппараты 100 и 200 для ОКТ-измерений, показанные соответственно на фиг.3 и 4, могут содержать, для когерентного отображения ткани на детекторе 170 или 270 соответственно, оптическую систему 180 или 280, установленную в измерительном пучке 106 или 206, и первую оптическую систему 190 или 290 результирующего пучка, установленную на участке пространственного совмещения пучков, т.е. в результирующем пучке 108 или 208. Оптические системы 180 и 280 измерительного пучка и первые оптические системы 190 и 290 результирующего пучка весьма эффективны для реализации указанного принципа пространственно когерентного отображения подлежащей исследованию ткани 140 на детекторах 170 и 270 соответственно.
Указанные аппараты для ОКТ-измерений, показанные соответственно на фиг.3 и 4, могут содержать также введенные в соответствующие опорные пучки 104 и 204 оптические системы 182 и 282 опорного пучка для коррекции фазовых сдвигов между опорным пучком 104 или 204 и соответственно измерительным пучком 106 или 206, обусловленных прохождением части оптической длины пути измерительного пучка в ткани 140. Оптические системы 182 и 282 опорного пучка могут, например, быть реализованы в виде жидкокристаллической системы пластинчатой формы или иного устройства для создания фазового сдвига. Достоинство таких систем состоит в создании фазового сдвига, который варьирует в поперечном измерении (x, y). В упрощенном варианте данные оптические системы 182, 282 могут быть реализованы в виде стеклянной пластины или оптического элемента, такого как линза, вносящая фазовый сдвиг, задаваемый в зависимости от ткани 140, подлежащей исследованию.
В завершение, аппараты для ОКТ-измерений, показанные соответственно на фиг.3 и 4, могут содержать установленные в результирующих пучках 108 и 208 соответственно вторые оптические системы 192 и 292 результирующего пучка для компенсации возможных фундаментальных особенностей формы (профиля), в частности для коррекции погрешностей изображения, обусловленных особенностями формы, например базовым изгибом биологической ткани 140 (такой, как передняя часть глаза), введенной, для ее исследования, в измерительный пучок 106, 206.
Благодаря использованию светового излучения, содержащего длины волн в спектральном интервале от более 300 нм до 500 нм, в отличие от длин волн 800 нм или более, которые используются в известных аппаратах для ОКТ-измерений, во всех описанных вариантах изобретения обеспечивается возможность использовать для достижения сравнимой разрешающей способности или для достижения более высокой разрешающей способности (меньшего значения Δz) при сравнимой ширине полосы (по сравнению с известными аппаратами для ОКТ-измерений) источники света, имеющие меньшую ширину полосы (меньший спектральный интервал).
Список цифровых обозначений
100 аппарат для ОКТ в пространстве Фурье
101 источник света
102 пучок световых лучей
104 опорный пучок
106 измерительный пучок
108 результирующий пучок
110 парциальные лучи в составе разделенного измерительного пучка
112 направление селективного разделения по длинам волн
120 светоделительное устройство
130 устройство для отклонения опорного пучка
140 ткань передней части глаза
150 устройство для пространственного объединения пучков
160 спектроскопическое устройство
170 массив детекторов для селективного измерения по длинам волн
180 оптическая система измерительного пучка
182 оптическая система опорного пучка
190 первая оптическая система результирующего пучка
192 вторая оптическая система результирующего пучка
200 аппарат для ОКТ во временном пространстве
202 пучок световых лучей
204 опорный пучок, модулируемый по оптической длине пути
206 измерительный пучок
208 промодулированный результирующий пучок
230 периодически перемещаемое устройство для отклонения опорного пучка
232 направление перемещения
270 детекторное устройство
280 оптическая система измерительного пучка
282 оптическая система опорного пучка
290 первая оптическая система результирующего пучка
292 вторая оптическая система результирующего пучка