УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ КРОСС-ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ НИЗКОКОГЕРЕНТНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
DEVICE FOR RECORDING IMAGES OF CROSS-POLARIZATION LOW-COHERENCE OPTICAL INTERFEROMETRY

Изобретение относится к устройствам получения и обработки изображений оптической интерферометрии (оптической когерентной томографии). Изобретение может быть использовано для прижизненной визуализации и количественной оценки деполяризующих свойств отдельных участков биологических тканей, в том числе человеческих.
Для целей диагностики ряда заболеваний, в том числе онкологических и воспалительных, а также оценки, в том числе ранней, эффективности некоторых видов терапии важную роль играет информация о деполяризующих свойствах биологической ткани, определяемых, в частности, наличием в биологической такни коллагеновых волокон, а также характером распределения коллагеновых волокон в биологической ткани. Данные о характере и степени повреждений коллагеновой сети могут быть использованы в клинике для дифференциальной диагностики заболеваний, выявления ранних неопластических процессов, определения ответа соединительнотканной стромы на проводимое лечение, определения качества трансплантатов на основе коллагена.
Известно, что патологические состояния, меняя свойства и целостность здоровых тканей, меняют их поляризационные свойства (двулучепреломление, деполяризацию). Именно по этой причине перспективным методом является использование поляризационной оптической интерферометрии для выявления патологии тканей, в частности поляризационно-чувствительной оптической интерферометрии, исследующей двулучепреломление ткани, и кросс-поляризационной оптической интерферометрии, которая регистрирует случайную деполяризацию излучения.
Известно устройство, предназначенное для выделения и визуализации информации о поляризационных свойствах участков биологической ткани. В частности, известен способ, описанный в Johannes F. de Boer and Thomas E. Milner "Review of polarization sensitive optical coherence tomography and Stokes vector determination", J. Biomed. Opt. 7(3), 359-371 (Jul 01, 2002).; http://dx.doi.org/10.1117/1.1483879 авторов Johannes F. de Boer and Thomas E. Milner, при котором для формирования изображения используется специальным образом подготовленная опорная волна и независимая регистрация компонент изображения независимыми регистрирующими устройствами. Недостатком описанного подхода является использование элементов оптики свободного пространства и нереализуемость устройства в волоконном варианте, позволяющем использовать гибкие зонды, обеспечивающие возможность наблюдения и анализа внутренней структуры ряда внутренних органов.
За прототип предлагаемого изобретения выбрано устройство регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии, содержащее источник оптического излучения, направляющий элемент, оптически связанный с источником оптического излучения, устройство доставки, формирующее и доставляющее оптический пучок к исследуемому образцу, содержащее входную и выходную (дистальную) части, выходная часть которого содержит поляризационно независимый опорный отражатель, устройство доставки, обеспечивающее формирование комбинированного оптического излучения, содержит обратно рассеянное от исследуемого образца и отраженное от поляризационно независимого опорного отражателя излучения преобразующее устройство, предназначенное для разделения комбинированного оптического излучения, поступающего с устройства доставки через направляющий элемент, на по крайней мере две части и последующего объединения этих частей после приобретения ими предустановленных оптических задержек, где по крайней мере один из оптических путей содержит управитель поляризации, предназначенный для формирования состояния поляризации первой части оптического излучения, ортогонального по отношению к состоянию поляризации второй части оптического излучения, оптоэлектронное регистрирующее устройство, оптически соединенное с преобразующим устройством, предназначенным для спектральной регистрации по крайней мере одного из: кросс-поляризованной компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, и компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, сохранившей исходное состояние поляризации излучения (патент US 7728985 В2 «Polarization-sensitive common path optical coherence reflectometry/tomography device», авторов Feldchtein, Felix I., Gelikonov, Valentin M., Gelikonov, Grigory V. 1.)
Однако при реализации известного устройства в случае спектральной регистрации оптического излучения с использованием одного оптоэлектронного регистрирующего устройства возможна регистрация только одного из кросс-поляризованной компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, и компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, сохранившей исходное состояние поляризации излучения. Для спектральной регистрации второй компоненты в ближайшем аналоге вводятся второе преобразующее устройство и второе оптоэлектронное регистрирующее устройство, что существенно усложняет и удорожает конечный продукт.
Техническим эффектом, на получение которого направлено данное изобретение, является разработка устройства для регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии, позволяющего расширить его функциональные возможности, а именно обеспечить регистрацию кросс-поляризованной компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, и компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, сохранившей исходное состояние поляризации излучения, с использованием одного оптоэлектронного регистрирующего устройства.
Указанный технический эффект достигается тем, что в устройстве регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии, содержащем источник оптического излучения, направляющий элемент, оптически связанный с источником оптического излучения, устройство доставки, формирующее и доставляющее оптический пучок к исследуемому образцу, содержащее входную и выходную (дистальную) части, выходная часть которого содержит поляризационно независимый опорный отражатель, устройство доставки обеспечивает формирование комбинированного оптического излучения, содержит обратно рассеянное от исследуемого образца и отраженное от поляризационно независимого опорного отражателя излучения преобразующее устройство, предназначенное для разделения комбинированного оптического излучения, поступающего с устройства доставки через направляющий элемент, на по крайней мере две части и последующего объединения этих частей после приобретения ими предустановленных оптических задержек, где по крайней мере один из оптических путей содержит управитель поляризации, предназначенный для формирования состояния поляризации первой части оптического излучения, ортогонального по отношению к состоянию поляризации второй части оптического излучения, оптоэлектронное регистрирующее устройство, оптически соединенное с преобразующим устройством, предназначенное для спектральной регистрации по крайней мере одного из: кросс-поляризованной компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, и компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, сохранившей исходное состояние поляризации излучения, управитель поляризации выполнен управляемым электронным образом для обеспечения в процессе последовательной регистрации изображений последовательного изменения состояния поляризации первой части оптического излучения с ортогонального на параллельное по отношению к состоянию поляризации второй части оптического излучения и обратно. Управитель поляризации выполнен магнитооптическим. Преобразующее устройство содержит как минимум один поляризационно независимый элемент, предназначенный для разделения и последующего объединения частей комбинированного оптического излучения после приобретения ими предустановленных оптических задержек, все оптические пути оканчиваются регулярными зеркалами. Преобразующее устройство содержит как минимум первый и второй поляризационно независимые элементы, предназначенные первый - для разделения комбинированного оптического излучения, поступающего с устройства доставки через направляющий элемент, на по крайней мере две части и второй - для последующего объединения этих частей после приобретения ими предустановленных оптических задержек.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии, содержащем источник оптического излучения, преобразующее устройство, оптически связанное с источником оптического излучения, содержащее как минимум два оптических пути, предназначенное для разделения комбинированного оптического излучения, поступающего с устройства доставки через направляющий элемент, на по крайней мере две части и последующего объединения этих частей после приобретения ими предустановленных оптических задержек, где по крайней мере один из оптических путей содержит управитель поляризации, предназначенный для формирования состояния поляризации первой части оптического излучения, ортогонального по отношению к состоянию поляризации второй части оптического излучения, направляющий элемент, оптически связанный с преобразующим устройством, устройством доставки и оптоэлектронным регистрирующим устройством, устройство доставки, формирующее и доставляющее оптический пучок к исследуемому образцу, устройство доставки содержит входную и выходную (дистальную) части, выходная часть содержит поляризационно независимый опорный отражатель, устройство доставки обеспечивает формирование комбинированного оптического излучения, содержащего обратно рассеянное от исследуемого образца и отраженное от поляризационно независимого опорного отражателя излучения, оптоэлектронное регистрирующее устройство, оптически соединенное с преобразующим устройством, предназначенное для спектральной регистрации по крайней мере одного из: кросс-поляризованной компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, и компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, сохранившей исходное состояние поляризации излучения, управитель поляризации выполнен управляемым электронным образом для обеспечения в процессе последовательной регистрации изображений последовательного изменения состояния поляризации первой части оптического излучения с ортогонального на параллельное по отношению к состоянию поляризации второй части оптического излучения и обратно. Управитель поляризации выполнен магнитооптическим. Преобразующее устройство содержит как минимум один поляризационно независимый элемент, предназначенный для разделения и последующего объединения частей излучения, поступающего от источника оптического излучения после приобретения ими предустановленных оптических задержек, все оптические пути оканчиваются регулярными зеркалами. Преобразующее устройство содержит как минимум первый и второй поляризационно независимые элементы, предназначенные первый - для разделения излучения, поступающего от источника оптического излучения, поступающего на устройство доставки через направляющий элемент, на по крайней мере две части, и второй - для последующего объединения этих частей после приобретения ими предустановленных оптических задержек.
Новизну устройства авторы усматривают в том, что управитель поляризации выполнен управляемым электронным образом для обеспечения в процессе последовательной регистрации изображений последовательного изменения состояния поляризации первой части оптического излучения с ортогонального на параллельное по отношению к состоянию поляризации второй части оптического излучения и обратно. Управитель поляризации выполнен магнитооптическим. Преобразующее устройство содержит как минимум один поляризационно независимый элемент, предназначенный для разделения и последующего объединения частей комбинированного оптического излучения после приобретения ими предустановленных оптических задержек, все оптические пути оканчиваются регулярными зеркалами. Преобразующее устройство содержит как минимум первый и второй поляризационно независимые элементы, предназначенные первый - для разделения комбинированного оптического излучения, поступающего с устройства доставки через направляющий элемент, на, по крайней мере две части и второй - для последующего объединения этих частей после приобретения ими предустановленных оптических задержек.
Новизну устройства авторы усматривают в том, что управитель поляризации выполнен управляемым электронным образом для обеспечения в процессе последовательной регистрации изображений последовательного изменения состояния поляризации первой части оптического излучения с ортогонального на параллельное по отношению к состоянию поляризации второй части оптического излучения и обратно. Управитель поляризации выполнен магнитооптическим. Преобразующее устройство содержит как минимум один поляризационно независимый элемент, предназначенный для разделения и последующего объединения частей излучения, поступающего от источника оптического излучения после приобретения ими предустановленных оптических задержек, все оптические пути оканчиваются регулярными зеркалами. Преобразующее устройство содержит как минимум первый и второй поляризационно независимые элементы, предназначенные первый - для разделения излучения, поступающего от источника оптического излучения, поступающего на устройство доставки через направляющий элемент, на по крайней мере две части и второй - для последующего объединения этих частей после приобретения ими предустановленных оптических задержек.
Предлагаемое устройство поясняется графическим материалом
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии, состоящего из источника оптического излучения 1, направляющего элемента 2, устройства доставки 3, преобразующего устройства 5, оптоэлектронного регистрирующего устройства 6 и объекта исследования 4.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема преобразующего устройства, состоящего в первом частном случае из управителя поляризации 7, неполяризующего делителя оптического излучения 8, зеркал 9.
На фиг. 3 представлена принципиальная схема преобразующего устройства, состоящего во втором частном случае из управителя поляризации 7, двух неполяризующих делителей оптического излучения 8.
На фиг. 4 представлена принципиальная схема устройства для регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии во втором частном случае реализации, состоящего из источника оптического излучения 1, преобразующего устройства 5, направляющего элемента 2, устройства доставки 3, оптоэлектронного регистрирующего устройства 6 и объекта исследования 4.
На фиг. 5 представлены характерные изображения кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии (верхний ряд) и изображения гистологических препаратов в поляризованном свете, окраска пикросириусом красным (нижний ряд) слизистой оболочки щеки для состояний: а, г - деградации KB (острое воспаление), б, д - избыточного накопления КВ (слабый фиброз), в, е - избыточного накопления коллагеновых волокон (выраженный фиброз).
Предлагаемое устройство позволяет получить при использовании следующий технический эффект - осуществить регистрацию кросс-поляризованной компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, и компоненты комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта, сохранившей исходное состояние поляризации излучения, с использованием одного оптоэлектронного регистрирующего устройства.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Излучение источника оптического излучения 1 (фиг 1) направляется на направляющий элемент 2, перенаправляющий излучение на устройство доставки 3. На дистальном конце устройства доставки 3 организуется опорное отражение оптического излучения и формируется зондирующий пучок, направляемый на объект исследования 4. Оптическое излучение рассеивается на оптических неоднородностях объекта исследования 4 и частично возвращается в устройство доставки 3. Опорное и рассеянное в объекте исследования 4 оптическое излучение распространяется по устройству доставки 3 в направлении направляющего элемента 2, где перенаправляется на преобразующее устройство 5. Преобразующее устройство 5 содержит как минимум два оптических пути и предназначено для разделения комбинированного оптического излучения, поступающего с устройства доставки 3 через направляющий элемент 2, на по крайней мере две части и последующего объединения этих частей после приобретения ими предустановленных оптических задержек. По крайней мере один из оптических путей в преобразующем устройстве 5 содержит управитель поляризации 7 (фиг 2, 3), предназначенный для формирования состояния поляризации первой части оптического излучения, отличного по отношению к состоянию поляризации второй части оптического излучения. Разность оптических задержек, приобретаемая порциями комбинированного оптического излучения при прохождении преобразующего устройства 5, совпадает с величиной разности оптических задержек, приобретаемых опорным и рассеянным в объекте исследования 4 оптическим излучением, что делает возможной спектральную регистрацию изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии с использованием оптоэлектронного регистрирующего устройства 6. В процессе последовательной регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии происходит последовательное переключение управителя поляризации 7 между состояниями, обеспечивающими на выходе преобразующего устройства 5 состояние поляризации компоненты, прошедшей через управитель поляризации 7, ортогональным и параллельным состоянию поляризации компоненты, прошедшей по второму оптическому пути. Благодаря этим переключениям на выходе оптоэлектронного регистрирующего устройства 6 последовательно формируются сигналы, соответствующие изображениям кросс-поляризованной и сохранившей исходное состояние поляризации компонент комбинированного оптического излучения, возвращенного из исследуемого объекта.
В частном случае, управитель поляризации может быть выполнен на основе магнитоактивного элемента (элемента Фарадея), вращающего плоскость поляризации излучения на 90 градусов при подаче на него соответствующего напряжения и не изменяющего состояния поляризации излучения в отсутствие подаваемого напряжения.
В первом частном случае реализации преобразующее устройство выполнено по схеме интерферометра Майкельсона и состоит из управителя поляризации 7, неполяризующего делителя оптического излучения 8 и двух зеркал 9. Реализация преобразующего устройства по схеме интерферометра Майкельсона позволяет обеспечить широкий диапазон изменения величины разности оптических путей в плечах интерферометра и оптимально для построения преобразующего устройства на элементах объемной оптики.
В втором частном случае реализации преобразующее устройство выполнено по схеме интерферометра Маха-Цандера и состоит из управителя поляризации 7 и двух неполяризующих делителей оптического излучения 8. Реализация преобразующего устройства по схеме интерферометра Маха-Цандера оптимальна при реализации преобразующего устройства на элементах волоконной оптики.
В первом частном случае реализации устройства для регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии преобразующее устройство 5 может быть расположено в оптическом тракте непосредственно перед оптоэлектронным регистрирующим устройством 6 (фиг 1), что позволяет использовать часть излучения, выходящего из второго выхода неполяризующего делителя оптического излучения 8, для оперативной корректировки мощности излучения и состояния его поляризации.
Во втором частном случае реализации устройства для регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии преобразующее устройство 5 может быть расположено в оптическом тракте до направляющего элемента 2 (фиг 4), что позволяет увеличить величину полезного сигнала за счет уменьшения потерь комбинированного оптического излучения.
Пример конкретной реализации устройства для регистрации изображений кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии.
Для конкретной реализации было собрано устройство, содержащее источник оптического излучения с длиной волны 1,3 мкм, преобразующее устройство, оптически связанное с источником оптического излучения, реализованное по схеме интерферометра Майкельсона, содержащее управитель поляризации на основе элемента Фарадея, при подаче напряжения поворачивающего плоскость поляризации падающего излучения на 45 градусов (при двойном проходе на 90 градусов), направляющий элемент, реализованный на основе трехпортового оптического циркулятора, устройство доставки, состоящее из оптоволоконного кабеля, с системой линз и электромеханического сканирования на дистальном конце и оптоэлектронное регистрирующее устройство, представляющее собой спектрометр на основе дифракционной решетки и линейного массива фотоприемных элементов. В качестве объекта исследования были выбраны участки слизистой оболочки щеки при нарушении нормального состояния коллагеновых волокон в ходе патологических процессов.
На изображениях кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии оценивался характер ОКТ-сигнала в ортогональной поляризации по визуальным критериям. Типичные изображения кросс-поляризационной низкокогерентной оптической интерферометрии изученных патологических состояний слизистой оболочки щеки представлены на фиг. 5 (а, б, в). На гистологических срезах, окрашенных пикросириусом красным, в поляризованном свете визуально оценивался цвет, в который окрашивались коллагеновые волокна: преобладание темных зон свидетельствовало о деградации коллагеновых волокон (фиг 5г); зон с тонкими бледно-зелеными коллагеновыми волокнами - о синтезе нового коллагена в процессе репарации; наличие толстых красных волокон говорило о состоянии фиброза, причем плотность ярко-красных волокон отражала степень фиброза (фиг. 5д, е).
Параллельные гистотомографические изображения позволили выявить закономерность изменения ОКТ-сигнала в ортогональной поляризации при патологических доброкачественных состояниях слизистой оболочки щеки: при структурной дезорганизации (деградации) коллагеновых волокон на фрагменты в ходе острого воспаления наблюдался низкий относительно нормы сигнал; при структурной организации (избыточном накоплении) коллагеновых волокон в ходе хронического воспаления, приводящего к локальному или обширному уплотнению соединительной ткани, а именно к развитию слабого или выраженного фиброза, наблюдался повышенный относительно нормы ОКТ-сигнал (в зависимости от выраженности процесса фиброзирования) (фиг. 5б, в).