Биомикроретинометрия. Теоретические основы работы на оптическом когерентном томографе сетчатки и принципы интерпретации томографических изображений

Родин А. С.

Резюме

В представленном обзоре рассматриваются основные принципы работы и интерпретации биомикроретинометрических измерений с использованием оптического когерентного томографа OCT-3 “Stratus”.

 

Биомикроретинометрия

ОКТ и ультразвуковые методы диагностики: сравнительные особенности. 
Принцип интерферометрии с низкой когерентностью. 
Работа оптического когерентного томографа с точки зрения пользователя. 
Томографическое изображение сетчатки глаза в норме. 
Серия сагиттальных томограмм через макулу и диск зрительного нерва. 
Оптические свойства тканей и трактовка томографических изображениий.

В последние годы арсенал диагностических методов, применяемых при патологии заднего отрезка глаза, существенно расширился в связи с появлением нового поколения сканирующих лазерных приборов, таких как конфокальный сканирующий лазерный офтальмоскоп, анализатор толщины сетчатки и оптический когерентный томограф (ОКТ). Последний, занимает среди остальных особое место, превосходя по информативности другие способы диагностики. С использованием оптической томографии стало возможным получать ультратонкие послойные изображения структуры сетчатки глаза с недоступным ранее высочайшим разрешением, порядка 8 -10 микрон. Применение в диагностике ОКТ и подобных ему методов исследования, превосходящих в десятки раз по разрешающей способности возможности офтальмоскопии и современных ультразвуковых приборов, требует по нашему мнению, переосмысления ряда диагностических подходов и выделения нового направления в диагностике заболеваний сетчатки – биомикроретинометрии. Термином «биомикроретинометрия», мы предлагаем называть совокупность способов прижизненной количественной и качественной оценки структуры сетчатки с использованием оптических приборов имеющих разрешающую способность в линейном скане не менее 10 микрон. Идеальной основой для биомикроретинометрических измерений служит метод ОКТ – принципиально новый неинвазивный способ получения пространственного изображения микроструктуры биологических тканей. Принцип работы аналогичен ультразвуковому В-сканированию, однако вместо акустических волн используются световые. Применение ОКТ в офтальмологии особенно удобно, поскольку световые длины волн легко проникают через прозрачные структуры, как переднего, так и заднего отрезка глаза. Метод отличается высоким разрешением и позволяет получить пространственные изображения структур глаза, что в сочетании с традиционной офтальмоскопией и флюоресцентной ангиографией делает его мощным диагностическим инструментом [1,2].

ОКТ и ультразвуковые методы диагностики: сравнительные особенности

Ультразвуковые методы широко используются в офтальмологии для качественной оценки структур глаза и измерения расстояний между ними. Основным достоинством ультразвуковых методов в офтальмологии является их способность проникать вглубь непрозрачных биологических тканей [3]. Получение изображений, при этом, требует контакта улавливающего отраженные ультразвуковые волны датчика непосредственно с глазом или через эммерсионную среду. Кроме того, разрешающая способность ультразвуковых методов напрямую зависит от используемой частоты. На практике, чаще всего, используют ультразвуковые приборы, работающие на частоте 10 МГц, что обеспечивает пространственную разрешающую способность около 150 мкм. Недавно разработанные высокочастотные ультразвуковые системы обеспечивают пространственное разрешение до 20 мкм, однако их проникающая способность ограничена 4-5 мм, что ограничивает возможности их клинического применения передним отрезком глаза [4].

Биомикрометрические методы измерений и получения изображений зависят от проникновения и отражения световых длин волн в средах глаза и не требуют непосредственного контакта с глазом. Обследование не доставляет дискомфорта пациенту и исключает передачу микроорганизмов через датчик прибора. Кроме того, оптические методы измерений обладают более высокой пространственной разрешающей способности, чем ультразвуковые. На сегодняшний день, ОКТ позволяет получить в 10 раз лучшее пространственное разрешение исследуемого объекта, чем стандартная ультразвуковая установка. Глаз является идеальным органом для исследования с помощью оптической томографии, поскольку в отличие от других тканей обладает прозрачными оптическими средами. Применяемое при оптической томографии измерение микроструктур глаза основано на принципе интерферометрии с низкой когерентностью.

Принцип интерферометрии с низкой когерентностью

Оптическая томография сетчатки базируется на принципах световой интерферометрии, основы которой были описаны И. Ньютоном [5]. В последние годы интерферометры широко используются для высокоточных измерений в волоконной оптике и оптикоэлектронике [6]. Схематичное изображение интерферометра представлено на рис. 1.

Оптический луч от лазерного или светового источника направляется на полупрозрачное зеркало, которое делит его на два луча – измеряющий и контрольный. Измеряющий луч направляется в глаз, где отражается от исследуемых структур и возвращается на детектор с различной временной задержкой, возникающей в зависимости от свойств изучаемых микроструктур к абсорбции, рассеиванию и отражению света, т.е. оптической плотности. Второй луч, отраженный от контрольного зеркала с регулируемой позицией, также возвращается на детектор. Если отраженный луч возвращается от изучаемых тканей за то же время, что и контрольный луч, то возникает явление интерференции, которое улавливается специальным датчиком. Параметры интерференции регистрируются и измеряются фотодетектором. Таким образом, структура отраженного от глаза луча может быть сопоставлена с контрольным, у которого имеется известная временная задержка, регулируемая положением контрольного зеркала. Такой принцип измерения позволяет прецизионно определять толщину и пространственные соотношения между изучаемыми тканями глаза [7].

Последние разработки в области оптики и электроники позволили создать компактные, относительно простые и недорогие интерферометры использующие низкоинтенсивный диодный лазер качестве источника излучения, а в качестве зеркала – оптиковолоконный делитель луча [8].

Работа оптического когерентного томографа с точки зрения пользователя

Последняя модель оптического когерентного томографа OCT-3 «Stratus» производится компанией ”Zeiss-Meditec”. Внешний вид томографа представлен на рис. 2.

В состав томографа входит интерферометр, обеспечивающий получение информации о структурах сетчатки путем измерения времени задержки светового эхосигнала, возникающего в результате отражения и рассеивания света различными микроструктурами сетчатки. Томограф ОСТ-3 используя в качестве источника излучения свехлюминисцентный диод, проецирует на сетчатку глаза широкополосный пучок излучения в диапазоне, близком к инфракрасному. Интерферометр томографа ОСТ-3 с помощью электронных схем получает, собирает, обрабатывает и сохраняет информацию о задержке эхосигналов от сетчатки. При каждом проходе сканирования томограф получает от 128 до 768 отсчетов в продольном (аксиальном) диапазоне, т.е. А-сканов. Каждый А-скан состоит из 1024 элементов данных, соответствующих диапазону глубин до 2 мм и более. Таким образом, для реконструкции изображения (томограммы) поперечного среза сетчатки глаза томограф ОСТ-3 использует от 131072 до 786432 элементов данных. Томограммы отражаются в реальном времени с помощью цветовой шкалы, представляющей количество света, рассеянного тканями на разной глубине сетчатки. Пользователь может выбрать отдельные томограммы и сохранить их в системе для последующего анализа.

Томограф ОСТ-3 позволяет получать изображения поперечных срезов внутренней структуры сетчатки глаза с аксиальным разрешением менее 10 микрон и поперечным разрешением 20 микрон. Программный пакет томографа содержит 18 протоколов сканирования и 18 протоколов анализа, что позволяет анализировать диск зрительного нерва, слой нервных волокон и макулярную область сетчатки с помощью одного прибора. Видеокамера томографа, воспринимающая инфракрасный диапазон длин волн, позволяет следить за глазным дном пациента во время работы и сохранять видеозапись вместе с томографическими изображениями. Архивировать изображения и данные можно на перезаписываемых DVD дисках. С помощью струйного принтера можно выводить на печать цветные изображения.

Томографическое изображение сетчатки глаза в норме

Простейший вариант измерения, который может быть выполнен с помощью ОКТ - осевое, аналогичное ультразвуковому А-скану. Интенсивность и спектр отраженных от структур глаза сигналов широко варьирует в зависимости оптических свойств тканей, однако на границах разнородных тканей, как правило, имеются различные коэффициенты отражения. Толщина тканей может быть вычислена измерительным модулем прибора, исходя из времени задержки отраженного сигнала, умноженной на скорость света в ткани. Скорость света в ткани в свою очередь определяется индексом ее рефракции. Таким образом, оценка толщины структур методом ОКТ основана на предполагаемых или известных значениях коэффициентов преломления света структурами глаза.

Поскольку световой луч может быть точно сфокусирован в определенной точке пространства, его смещение может быть легко определено. Это дает основу к созданию трехмерного пространственного изображения структур глаза на основе обработки программой компьютера отраженного сигнала при его продольном и поперечном перемещении.

Для повышения дифференцировки тканей их изображения могут быть окрашены с использованием стандартной цветовой шкалы типа «радуги»: слабо отражающие структуры выглядят окрашенными в черный и голубой цвета; хорошо отражающие – в белый и красный. Важно заметить, что окрашенная томограмма отражает реальное соотношение структур с различными оптическими свойствами, но не обозначает их настоящую морфологическую границу, что необходимо учитывать при интерпретации изображений.

На рис. 3 показано томографическое изображение сетчатки здорового глаза человека. На нем четко определяются фовеа и перипапиллярная часть сетчатки.

Красным цветом выделяется высоко отражающий слой пигментного эпителия сетчатки и хориокапилляров. Этот задний слой теряется у границы диска зрительного нерва. Под слоем хориокапилляров относительно слабый отраженный сигнал воспринимается от глубоких слоев хориоидеи и склеры. Черный слой с минимальными отражающими свойствами спереди от пигметного эпителия соответствует расположению наружных сетментов фоторецепторов. Средние отражающие свойства имеют внутренний и наружный плексиформные слои, состоящие из клеточных элементов расположенных перпендикулярно направлению сканирующего луча. В минимальной степени на томограммах проявляют свои отражающие способности нуклеарные слои сетчатки, в которых клетки расположены параллельно направлению сканирующего луча.

Внутренняя граница сетчатки с высокими отражающими свойствами соответствует расположению слоя нервных волокон, толщина которого увеличивается по направлению от макулы к диску зрительного нерва. Сосуды сетчатки можно определить по их повышенным отражающим свойствам, а также характерному затемнению в глубжележащих слоях пигментного эпителия и хориоидеи.

Серия сагиттальных томограмм через макулу и диск зрительного нерва

В современных моделях томографов имеются различные варианты протоколов сканирования, а так же возможность самостоятельно создавать пользовательский протокол. Основные протоколы сканирования созданы для оценки макулярной области, диска зрительного нерва и толщины слоя нервных волокон перипапиллярной области.

Наиболее простыми являются одиночный линейный скан (Line) и «перекрестье» (Cross Hair), представляющий собой два перпендикулярных скана, которые пересекаются в центре, образуя крест. Представление о трехмерной топографии макулы можно получить с помощью протокола «линии растра» (Raster Lines) который представляет собой серию (от 6 до 24) параллельных линейных сканов на одинаковом расстоянии друг от друга в заданной прямоугольной области сетчатки. Кроме того, для этой цели используют протокол «радиальные линии» (Radial Lines), состоящий из серии (от 6 до 24) линейных сканов, проходящих через общую центральную ось и равномерно распределенных по кругу, словно спицы колеса.

Для создания профиля диска зрительного нерва применяют протокол Optical Disc, аналогичный схеме радиальных линий. На рисунке 4 показаны направления выполняемых томографом радиальных сканов. Серия радиальных томограмм через диск зрительного нерва, демонстрирующая его края и экскавацию показаны на рис.5.

Толщина слоя нервных волокон в перипапиллярной области может быть важным диагностическим критерием при глаукоме и нейродегенеративных заболеваниях [9]. Для измерения толщины слоя нервных волокон предложено несколько комбинаций концентрических круговых сканов вокруг диска зрительного нерва: «пропорциональная окружность» (Proportional Circle), «три концентрических кольца» (Concentric 3 Rings), «толщина слоя нервных волокон сетчатки 3.4» (RNFL Thickness (3.4)) и другие. Направление сканирующего луча показано на рис.6. Толщина слоев нервных волокон перипапиллярной сетчатки в горизонтальных и вертикальных секторах неодинакова, что хорошо видно на томограммах. Как было отмечено выше, слой нервных волокон хорошо дифференцируется на сканограммах в виде гиперрефлективной полосы во внутренних отделах сетчатки. На циркулярной томограмме перипапиллярной области заметно, что толщина слоя нервных волокон сетчатки больше в верхневисочном и нижневисочном секторах, что характерно для нормального анатомического строения этой области сетчатки (рис 7). Учитывая общую толщину сетчатки, компьютерный модуль сканера обрабатывает изображения с помощью программных средств и представляет их в виде диаграммы, отражающей толщину в различных секторах перипапиллярной области (рис.8).

Кроме того, на томограммах четко определяются границы диска зрительного нерва, диаметр и глубина экскавации, что служит основой для расчета соотношений этих параметров при осуществлении контроля над течением глаукомы.

Оптические свойства тканей и трактовка томографических изображениий

Взаимодействие света с физическими телами и в частности с тканями глаза основано на фундаментальных свойствах проникновения, рассеивания и отражения.

Для оценки взаимодействия света с полупрозрачными средами, в физической оптике используют три основных параметра: коэффициент абсорбции, коэффициент рассеивания и анизотропию рассеивания. В большинстве тканей рассеивание преобладает над абсорбцией, однако абсорбция может преобладать, если в тканях содержится большое количество хроматорфоров [1]. Анизотропия рассеивания характеризует преимущественное направление рассеивания света.

Известно, что изменения в клеточной морфологии и структуре ткани влияют на ее оптические свойства, которые могут быть оценены при сканировании. Интерпретация оптических томограмм зависит от способности пользователя оценивать отражающие способности различных слоев сетчатки и умения сопоставить их с представлениями о морфологической картине в норме и при ее патологии. Если разрешающие способность прибора не удовлетворяет пользователя, он может прибегнуть к диагностическому анализу полученных томограмм с помощью программного обеспечения.

Сигнал от исследуемой ткани, воспринимаемый оптическим томографом складывается не только из ее отражающих свойств, но и поглощающих и рассеивающих свойств структур, находящихся перед ней. При диагностической оценке результатов оптической томографии важно принимать во внимание это свойство и учитывать, что на изображение сетчатки может накладывать свой отпечаток прозрачность и состояние роговицы, хрусталика, стекловидного тела, а так же изменения ее структуры во внутренних слоях.

Так, картину гиперрефлективного (т.е. имеющего повышенные отражающие свойства) участка на сетчатке могут давать воспалительные инфильтраты ее слоев, рубцы, твердый экссудат, геморрагии. Твердый экссудат имеет высокие отражающие свойства и практически полностью блокирует отраженное от лежащих кнаружи от него структур сетчатки излучение, оставляя за собой «тень» на томограмме.

Содержащаяся в сосудах сетчатки кровь имеет высокий коэффициент рассеивания, что также приводит к появлению «тени» за сосудами. Тонкие геморрагии, расположенные в слоях сетчатки выглядят как участки с повышенной плотностью, однако пропускают излучение, отраженное от наружных слоев сетчатки. Если толщина геморрагии превышает 200 микрон, то последняя, как правило, экранирует картину внешних слоев. В качестве иллюстрации этому, на рис. 9 представлена флюоресцентная ангиограмма сетчатки пациентки с преретинальным кровоизлиянием, а на рис. 10 – соответствующее ей изображение на оптической томограмме.

Сниженные отражающие свойства или гипорефлективность характерна для отека сетчатки, при котором накапливающаяся в сетчатке жидкость повышает коэффициент рассеивания. Кроме того, снижение отражающих свойств может быть вызвано изменениями структуры сетчатки, в частности при гипопигментации пигментного эпителия. Гипорефлективность морфологически измененных структур сетчатки важно дифференцировать от причин снижающих доступ сканирующего излучения: помутнений хрусталика или стекловидного тела, астигматизма, неровного положения интраокулярной линзы или неадекватно выполненных настроек томографа. Как правило, эти причины приводят к снижению качества изображения во всех слоях сетчатки. В отличие от артефактов, фокальное снижение отражающих свойств часто бывает обусловлено наличием экранирующих структур: кровоизлияний, экссудатов, отслойкой пигментного эпителия сетчатки.

На основе различий в отражающих свойствах, существует возможность дифференцировать геморрагии от твердых экссудатов и серозного субретинального содержимого. Серозная жидкость содержит мало клеточных элементов, поэтому ее отражающие свойства слабо выражены. Кровоизлияния, напротив, содержат много клеточных элементов, которые хорошо отражают и рассеивают излучение. Экссудаты выглядят на сканограммах образованиями со средними отражающими свойствами, занимая промежуточное положение по плотности окрашивания между кровью и серозной жидкостью [10].

Накопление интраретинальной жидкости ведет не только к изменению структуры сетчатки, но и к увеличению ее толщины. С помощью метода ОКТ можно прецизионно определять последнюю, поскольку высокая разрешающая способность аксиального скана позволяет точно определять дистанцию между гиперрефлективными внутренней (сетчатка – стекловидное тело) и наружной (пигментный эпителий) границами сетчатки. Измерение толщины сетчатки, особенно в макулярной области имеет большое клиническое значение, так как может служить основой для наблюдения за количеством интраретинальной жилкости при диабетическом макулярном отеке, синдроме Ирвина-Гасса, окклюзиях сосудов сетчатки и других заболеваниях [11,12].

Наиболее полное представление о клинических возможностях метода можно получить, сопоставляя томографические изображения с реальной картиной глазного дна и флюоресцентной ангиографией, чему был посвящен ряд предыдущих публикаций [13,14].

Литература

  1. Huang D., Swanson E.A., Lin C.P., Schuman J.S., Stinson W.G., Chang W., Hee M.R., Flotte T., Gregory K., Puliafito C.A., Fujimoto J.G. Optical coherence tomography. Science. 1991; 254: 1178-1181.
  2. Hee M.R., Izatt J.A., Swanson E.A., Huang D., Schuman J.S., Lin C.P., Puliafito C.A., Fujimoto J.G. Optical coherence tomography of the human retina. Arch. Opthalmol. 1995; 113: 325-332.
  3. Pavlin D.J., Sherar M.D., Foster P.S. Subsurface ultrasound microscopic imaging of the intact eye. Ophthalmology. 1990; 97: 244-250.
  4. Allemann N., Chamon W., Silverman R.H., Azar D.T., Reinstein D.Z., Stark W.J., Coleman D.J. High-frequency ultrasound quantitative analysis of corneal scarring following excimer laser ceratectomy. Arch. Ophthalmol. 1993; 111: 150-152.
  5. Born M., Wolf E. Principles of optics. Ed.6, New York, Pergamon Press, 1980, 240 p.
  6. Youngquist R.C., Carr S., Davies D.E.N. Optical coherence-domaine reflectometry: a new-optical evaluation technique. Opt. Lett. 1987; 12: 158-160.
  7. Fercher A.F., Hitzenberger C., Juchem M. Measurement of intraocular optical distances using partially coherent laser light. J. mod. Opt. 1991; 38: 1327-1333.
  8. Swanson E.A., Huang D., Hee M.R., Fujimoto J.G., Lin C.P., Puliafito C.A. High-speed optical coherence domaine reflectometry. Opt. Lett. 1992; 17: 151-153.
  9. Sinai M.J., Essock E.A., Fechtner R.D. Diffuse and localized nerve fiber layer loss measured with a scanning laser polarimeter: sensitivity and specifity of detecting glaucoma. J. Glaucoma. 2000; 9: 154-162.
  10. Hee M.R., Puliafito C.A., Wong C. et al. Optical coherence tomography of central serous chorioretinopathy. Am. J. Ophthalmol. 1995; 120: 65-74.
  11. Hee M.R., Puliafito C.A., Wong C. et al. Quantitative assessment of macular edema with optical coherence tomography. Arch. Opthalmol. 1995; 113: 1019-1029.
  12. Родин А.С., Большунов А.В., Габель В.П., Габлер Б. Применение оптической когерентной томографии для диагностики ретинальной патологии. Рефракционная хирургия и офтальмология. 2001; 3(1): 26-29.
  13. Родин А.С. Оптическая когерентная томография при макулярных отверстиях. Роль метода в дифференциальной диагностике и оценке эффективности лечения. Офтальмология. 2005; 2(2): 13-19.
  14. Родин А.С. Диагностические возможности оптической когерентной томографии при возрастной дегенерации макулы. Офтальмология. 2005; 1(2): 31-36.

Abstract

Rodin A. S.

Biomicroretinometry. Theoretical principles of retinal imaging and image interpretation using optical coherence thomography.

Basic principles of retinal evaluation using optical coherence thomography are discussed in the review.



© elitvision.ru, А.С. Родин. 2006–2018. Копирование материалов сайта допускается только с разрешения правообладателя при условии размещения прямой ссылки на www.elitvision.ru