Методы оптической визуализации клеток, такие как конфокальная микроскопия и оптическая когерентная томография с полным полем обзора, позволяют получать оптические срезы плоских образцов. Если образец изогнут, оптическое поле обзора охватывает несколько слоев образца одновременно, в результате чего поле обзора каждого слоя сужается. Оптическая когерентная томография с полем обзора изогнутых слоев роговицы позволяет получать оптические срезы образца любой кривизны. Увеличенное поле обзора позволяет более точно измерять количество клеток и нервов роговицы, благодаря чему повышается качество мониторинга состояния роговицы и общего состояния здоровья (например, мониторинг течения сахарного диабета). Диагностика является неинвазивной и представляет собой высокоскоростную визуализацию, благодаря чему данный метод возможно применять в научных исследованиях и врачебной практике.
ВВЕДЕНИЕ
Роговица – это наиболее изогнутая часть глаза. Прозрачность роговицы позволяет визуализировать микроструктуры глаза в реальном времени для использования в качестве маркеров состояния глаза и общего состояния здоровья. Аппараты нового поколения для проведения диагностики in vivo, в основе работы которых заложен принцип традиционной оптической когерентной томографии с применением преобразования Фурье, такие как UHR-OCT, GDOCM и µOCT, обладают функцией увеличения поля зрения примерно до 1 мм. Ускоренная оптическая когерентная томография роговицы с применением преобразования Фурье и полным полем обзора обеспечивает визуализацию без подобных искажений и обладает полем обзора 0,615 мм, однако требует дорогостоящего оборудования: высокоскоростной матрицы и лазера с перестраиваемым источником излучения. Альтернативой вышеуказанным методам является ретроиллюминационная микроскопия c полем обзора 0,820 мм × 0,580 мм и конусно-лучевая оптическая когерентная томография, однако разрешение последней является недостаточным для визуализации клеток и нервов роговицы.
Рисунок 1. Сравнение оптической когерентной томографии с полем обзора изогнутых слоев роговицы и традиционных моделей оптической когерентной томографии in vivo во временной области с полным полем обзора. Оптический интерферометр оснащен некогерентным светодиодом, 2D-матрицей и объективами микроскопа. Когерентность, соответствующая положению опорного плеча, отмечена желтым цветом. Зеленым цветом отмечена конфигурация оптической когерентной томографии с полем обзора изогнутых слоев роговиц с линзой, имеющей радиус кривизны 7,7 мм, оптимальной для оптического выравнивания изогнутой передней поверхности роговицы диаметром 7,79±0,27 мм (стандартное отклонение). Синим цветом отмечена конфигурация оптической когерентной томографии с полем обзора изогнутых слоев роговицы с линзой, имеющей радиус кривизны 6,2 мм, достаточной для оптического выравнивания изогнутой задней поверхности роговицы диаметром 6,53±0,25 мм (стандартное отклонение).
Новейшей разработкой является метод получения оптического среза в режиме en face, а именно оптическая когерентная томография in vivo во временной области с полным полем обзора, в 10 раз большим – 1,2 мм × 1,2 мм, с помощью которой можно получать снимки роговицы in vivo и измерять количество клеток. Кроме того, благодаря высокой скорости обработки (0,6 миллиарда пикселей/с) изображения не содержат искажений, возникающих при движении глаз или головы; использование этого метода поможет улучшить исход лечения пациентов, перенесших трансплантацию роговицы или операцию по удалению катаракты.
МЕТОДЫ
Для визуализации изогнутых слоев роговицы оптическая линза была внедрена в интерферометрическую конструкцию аппарата для оптической когерентной томографии in vivo во временной области с полным полем обзора (рис. 1). Свет от светодиода (M850LP1, Thorlabs, США) с центральной длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне 850 нм и полосой пропускания 30 нм сначала разделяется светоделителем пополам (BS014, Thorlabs, США). Один луч направлен на образец, второй – на опорные плечи интерферометра, которые затем с помощью 10 объективов микроскопа (LMPLN10XIR, Olympus, Япония) с умеренной числовой апертурой (0,3) фокусируются на образце и на передней поверхности изогнутой оптической линзы, действующей как сферическое зеркало с отражательной способностью 4% (учитывая, что материалом линзы является стекло). Свет, отраженный от сферического зеркала, и обратно рассеянный свет от образца повторно соединяются на светоделителе, создавая интерференцию. Весь свет (интерференционный и не интерференционный) регистрируется 2D КМОП-матрицей (Q-2A750-CXP, Adimec, Нидерланды) с разрешением 1440 × 1440 пикселей и высокой полной емкостью (2 Me¯). В основе работы аппарата лежит традиционная схема получения снимков при проведении оптической когерентной томографии in vivo: матрица со скоростью 550 кадров/с (1,75 мс на изображение) делает два последовательных снимка с различными оптическими фазами (обычно от двух до четырех), модулируемых пьезо-переключателем (STr-25/150/6, Piezomechanik GmbH, Германия), после чего благодаря простой постобработке снимков демонстрирует изогнутый участок образца.
Для визуализации изогнутого слоя образца вершина сферического зеркала должна совпадать с вершиной роговицы, однако вершина роговицы постоянно смещается из-за движений глаз и головы пациента. Для соотнесения вершин необходимо установить интерферометр на 3-осевой моторизованной ступени (состоящей из двух горизонтальных (NRT150/M, Thorlabs, США) и вертикальной (MLJ150/M, Thorlabs, США) ступеней перемещения), управляемых с помощью джойстика (MJC001, Thorlabs, США), используя снимки в качестве обратной связи (рис. 2).
Рисунок 2. Прибор для проведения оптической когерентной томографии с полем обзора изогнутых слоев роговицы, установлен на трех моторизованных ступенях. Ступени, управляемые с помощью джойстика, используются для соотнесения вершины сферического зеркала с вершиной роговицы, обеспечивая поле обзора изогнутых слоев образца. Небольшая моторизованная ступень под опорным плечом используется для выбора слоя роговицы, подлежащего визуализации (например, суббазальное нервное сплетение или эндотелий).
РЕЗУЛЬТАТЫ
А. Эксперимент по визуализации изогнутого слоя образца: плоская мишень, искусственный глаз, глаз in vivo
При визуализации роговицы человека используются две разные линзы с радиусами кривизны 7,7 мм (LA1540, Thorlabs, США) и 6,2 мм (LA1576, Thorlabs, США) для оптического выравнивания передней и задней поверхностей роговицы, стандартная кривизна которых – 7,79±0,27 мм (стандартное отклонение) и 6,53±0,25 мм (стандартное отклонение) соответственно.
Б. Эксперимент по подтверждению эффективности визуализации роговицы человека in vivo
Клинические испытания по подтверждению эффективности визуализации были проведены с участием здорового добровольца (женщина, 37 лет), что было определено по результатам осмотра глаз в больнице. Разрешение на проведение исследования (№ 2019-A00942-55) было получено в соответствии с законодательством Франции от CPP Sud-Est III de Bron (Комитета по защите персонала) и ANSM (Национального агентства по безопасности лекарственных средств и товаров медицинского назначения). Перед проведением исследования, соответствовавшего положениям Хельсинкской декларации, испытуемая, прослушала в чем состоит характер исследования, подписала информированное добровольное согласие на участие в нем. Томография проводилась неинвазивным способом, интенсивность излучения импульсного света была ниже уровней максимально допустимой дозы облучения, установленных в современных стандартах ISO 15004-2:2007 (18% – для роговицы и 1% – для сетчатки) и ANSI Z80.36-2016 (1,3% – для роговицы и 1% – для сетчатки). Испытуемая расположила голову на опорах для висков и подставке для подбородка. Во время визуализации одного глаза второй глаз фиксировался на цели. Освещение было комфортным для осмотра благодаря низкой чувствительности сетчатки к ближнему инфракрасному излучению.
На рисунке 3 продемонстрировано сравнение снимков суббазального нервного сплетения глаза одного и того же пациента, сделанных в ходе: 1) конфокальной лазерной сканирующей микроскопии in vivo (с помощью аппарата HRT III с роговичным модулем Rostock Cornea Module и полем обзора 0,3 мм × 0,3 мм; Heidelberg Engineering, GmbH), 2) оптической когерентной томографии in vivo во временной области с полным полем обзора и 3) оптической когерентной томографии с полем обзора изогнутых слоев роговицы.
Рисунок 3. Сравнение оптической когерентной томографии с полем обзора изогнутых слоев роговицы, оптической когерентной томографии с полным полем обзора и конфокальной микроскопии при визуализации суббазального нервного сплетения роговицы человека in vivo. Цена деления всех измерительных шкал составляет 0,1 мм.
На снимках, сделанных в ходе оптической когерентной томографии с полем обзора изогнутых слоев роговицы, видны нервы роговицы толщиной 2-4 мкм в пределах поля обзора 1,13 мм × 1,13 мм, которое примерно в 10 раз превышает поле обзора при конфокальной лазерной сканирующей микроскопии in vivo, которую проводят обычно во врачебной практике. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия in vivo, проведенная в ходе научного исследования, обладает более широким полем обзора (более 2 мм × 2 мм) за счет использования движущейся цели и базы из более 1000 снимков. Этот метод, однако, требует абсолютной фиксации пациента в течение длительного периода (около минуты), что невозможно во многих клинических случаях. Еще одним ограничением при проведении конфокальной лазерной сканирующей микроскопии in vivo является необходимость введения местного глазного анестетика и инвазивный характер диагностики, что приводит к дискомфорту для пациента, повышенному риску травмы роговицы и появлению на снимках искажений, вызванных движением.
На рисунке 4 продемонстрировано сравнение снимков эндотелия, полученных с помощью клинического зеркального микроскопа (SP-3000 P, Topcon, Япония с полем обзора 0,25×0,5 мм), а также с помощью оптической когерентной томографии in vivo во временной области с полным полем обзора и оптической когерентной томографии с полем обзора изогнутых слоев роговицы.
Рисунок 4. Оптическая когерентная томография с полем обзора изогнутых слоев роговицы по сравнению с оптической когерентной томографией in vivo во временной области с полным полем обзора. Цена деления всех измерительных шкал составляет 0,1 мм.
В результате анализа количество клеток составило 1743 на площади окружности диаметром 1 мм при фокусе 0,85 мм при оптической когерентной томографии с полем обзора изогнутых слоев роговицы, что эквивалентно плотности клеток 3072 клеток/мм2 (в пределах нормы). Количество клеток при проведении исследования с помощью зеркального микроскопа составило 387 клеток, что соответствует плотности 3096 клеток/мм2. Необходимо обратить внимание на уменьшение расфокусировкой резкости клеток на краю поля обзора при оптической когерентной томографии in vivo во временной области с полным полем обзора, несмотря на то, что оптические аберрации оказывают меньшее влияние на латеральное разрешение этого типа томографии с пространственно некогерентным освещением.
В. Оптическая когерентная томография с полем обзора изогнутых слоев роговицы: единая конфигурация для всей роговицы
На рисунке 5 продемонстрирована возможность использования одной линзы диаметром 7,7 мм для визуализации передней и задней поверхностей роговицы вместо двух отдельных линз с радиусами кривизны 7,7 мм и 6,2 мм. Кривизна линзы и передней поверхности роговицы совпадает, благодаря чему линза диаметром 7,7 мм создает полосы, плотность которых увеличивается к краю поля обзора задней поверхности роговицы. Пространственная частота полос на краю поля обзора близка к частоте на границах клеток, поэтому полосы нельзя отфильтровать в области преобразования Фурье, не снижая видимости клеток.
Рисунок 5. Сравнение снимков эндотелия, полученных с помощью линз с радиусами кривизны 6,2 мм (соответствует кривизне задней поверхности роговицы) и 7,7 мм (соответствует кривизне передней поверхности роговицы). Цена деления всех измерительных шкал составляет 0,1 мм.
Томографические снимки, полученные в результате оптической когерентной томографии с полным полем обзора до и после фильтрации в области преобразования Фурье продемонстрированы слева и справа соответственно. Несоответствие кривизны демонстрируется за счет наличия полос повышенной плотности на границе снимка, которые трудно отфильтровать, не снизив видимости расположенных за ними клеток. Полосы можно удалить путем усреднения перед фильтрацией в области преобразования Фурье или использования 4-фазной схемы извлечения томографического снимка.
ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оптическая когерентная томография с полем обзора изогнутых слоев роговицы — это новый метод получения оптического среза произвольной кривизны, позволяющий проводить оптическое выравнивание изогнутых слоев образцов in vivo. Данный метод представляется необходимым использовать при диагностике роговицы человека in vivo, поскольку томография этого типа обладает большим полем обзора 1,13 мм × 1,13 мм и позволяет проводить исследование суббазальных нервов и эндотелия, при этом обладая такими преимуществами, как высокая скорость исследования (3,5 мс) и неинвазивность процедуры визуализации.
Визуализация эндотелия роговицы в крупном масштабе потенциально может улучшить исход лечения пациентов, перенесших трансплантацию роговицы или операцию по удалению катаракты, которые сегодня выполняются после оценки функционального состояния эндотелия. Визуализация суббазальных нервов при применении освещения широкого поля позволяет проводить профилактический и точный мониторинг прогрессирования диабета, вследствие которого меняется плотность нервов роговицы.
Несмотря на то, что в данный момент использование аппарата ограничено, поскольку для получения оптического среза произвольной кривизны требуется замена объектива в опорном плече и перенастройка, в дальнейшем планируется обеспечить универсальную регулировку кривизны за счет использования линз без переменного фокуса совместно с линзами с настраиваемым фокусом.
Помимо визуализации в офтальмологии, оптическая когерентная томография с полем обзора изогнутых слоев образца может применяться для проведения неинвазивного исследования различных тканей человека, имеющих изогнутую структуру in vivo, а также в искусственной внешней среде.
©Thorlabs
Компания INSCIENCE является официальным дистрибьютором продукции Thorlabs на территории РФ
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
