Семенова Н.С.

Факультет фундаментальной медицины Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Ларичев А.В.

ФГБОУ ВО «МГУ имени М.В. Ломоносова», Ленинские горы, 1, Москва, 119991, Российская Федерация

Акопян В.С.

Факультет фундаментальной медицины Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

«Swept source» — оптическая когерентная томография: обзор технологии

Журнал: Вестник офтальмологии. 2020;136(1): 111-116

Просмотров : 590

Загрузок : 20

Как цитировать

Семенова Н. С., Ларичев А. В., Акопян В. С. «Swept source» — оптическая когерентная томография: обзор технологии. Вестник офтальмологии. 2020;136(1):111-116.
Semenova N S, Larichev A V, Akopian V S. Swept source optical coherence tomography: a technology review. Vestnik Oftalmologii. 2020;136(1):111-116.
https://doi.org/10.17116/oftalma2020136011111

Авторы:

Семенова Н.С.

Факультет фундаментальной медицины Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Все авторы (3)

Появление новой технологии swept source – оптической когерентной томографии (SS-ОКТ), претендующей на зарождение нового поколения томографов, вызвало большой интерес среди врачей-офтальмологов и породило множество споров при сравнении с традиционной спектральной ОКТ. В настоящей статье дается краткое разъяснение принципа метода, его преимуществ и недостатков, а также перечисляются варианты его реализации в коммерческих оптических когерентных томографах офтальмологического назначения.

История создания swept source – оптической когерентной томографии

Еще в 1980-е годы принцип линейной частотной модуляции длины волны когерентного источника света – прототип современной технологии swept source – применялся для измерения волоконной оптики и компонентов фотоники [1]. В 1992 г. была получена заявка на патент от E. Swanson и соавторов на способ оптической визуализации путем сканирования источником с переменной длинной волны [2].

Первая экспериментальная работа с использованием SS-ОКТ опубликована в 1997 году [3]. Уже тогда описывались преимущества метода в виде низкого уровня шума на получаемых сканах [1]. Но вплоть до начала 2000-х годов технология не могла быть использована для создания прототипа томографа по причине отсутствия подходящего лазерного источника излучения. В 2003 г. S. Yun и соавторы впервые продемонстрировали применительно к неофтальмологическим задачам высокие для того времени скорость сканирования (19 000 А-сканов/с) и аксиальное разрешение (13–14 мкм) SS-ОКТ [4].

Прорыв случился в 2006 г. с появлением лазера с синхронизацией мод Фурье [5]. Уже тогда в неофтальмологическом применении была достигнута скорость в 370 000 А-сканов/с [1].

Современная SS-ОКТ

Технология SS-ОКТ, также называемая ОКТ с переменной длинной волны, или ОКТ с перестраиваемым источником, относится к семейству Fourier-domain, поскольку, как и традиционная спектральная ОКТ, для восстановления профиля оптической плотности по оси глубины (А-скан) применяет преобразование Фурье. Вместе с тем спектральные компоненты регистрируются не одновременно при помощи спектрометра, а последовательно при изменении длинны волны зондирующего излучения. Для регистрации сигнала в этом методе используется одноэлементный балансный высокочастотный фотодетектор.

Первый коммерческий томограф, базировавшийся на технологии SS-ОКТ, был представлен компанией Topcon в 2010 г. и зарегистрирован в 2012 г. Модель DRI OCT Atlantis спустя 3 года сменила современная машина DRI OCT Triton, получившая регистрацию на территории Российской Федерации в 2018 г. Томограф использует узкополосный лазерный источник излучения длиной волны 1050 нм, которая быстро меняется в диапазоне 100 нм, имеет скорость сканирования 100 000 А-сканов/с; аксиальное оптическое разрешение составляет 8 мкм при программном (интерполяционном) 2,6 мкм. Для регистрации сигнала используется двойной балансный фотодетектор, что вносит свой вклад в повышение скорости сканирования и улучшение отношения сигнал/шум [6].

На момент написания статьи на базе технологии SS-ОКТ также созданы томограф для переднего отрезка Casia SS-1000 (1310 нм, скорость 30 000 А-сканов/с, аксиальное разрешение 10 мкм, поперечное – 30 мкм) и томограф Casia2 фирмы Tomey (1310 нм, скорость 50 000 А-сканов/с, аксиальное разрешение 10 мкм, поперечное – 30 мкм) с функцией сканирования и переднего, и заднего отрезков глаза.

Однако по информации на конец 2019 г. указанные два прибора пока не получили разрешения к клиническому применению от Food and Drug Administration (FDA). Выхода на рынок ожидает томограф модели Xephilio OCT-S1 (1060 нм, скорость 100 000 А-сканов/с, аксиальное разрешение 5,3 мкм) фирмы Canon.

Компания Heidelberg Engineering воплотила технологию SS-ОКТ в томографе для переднего отрезка Anterion (1300 нм, аксиальное разрешение 10 мкм). В 2016 г. компания Zeiss анонсировала томограф PLEX Elite 9000 на базе SS-ОКТ (1050 нм, скорость 100 000 А-сканов/с, аксиальное разрешение 6,3 мкм, поперечное – 20 мкм), получивший сертификат соответствия Европейского союза и предварительно одобренный FDA, но выпускать его на рынок в качестве коммерческого продукта для клинической практики пока не планирует, позиционируя его как прибор для исследовательской офтальмологии.

В октябре 2019 г. компания Optos объявила о создании комбинированной машины Silverstone, сочетающей широкоугольную визуализацию сетчатки на 200° с широкопольной SS-ОКТ (1050 нм, скорость 100 000 А-сканов/с, аксиальное разрешение 7 мкм, поперечное – 20 мкм).

SS-ОКТ в режиме ангиографии

ОКТ в режиме ангиографии (ОКТА) за 2 года стала современным стандартом диагностики и мониторинга заболеваний сетчатки. Сегодня все производители добавили эту функцию в свои ОКТ-установки. Именно повышение скорости сканирования, в том числе и спектральных томографов, создало предпосылки для изобретения метода. При этом следует понимать, что каждая из компаний-разработчиков использует свой собственный технологический подход к решению задачи контрастной визуализации движения эритроцитов. Способы реализации задачи можно поделить на 3 группы:

1) ОКТА на основе фазового сигнала (phase variance, phase-signal-based), например допплер-ОКТ;

2) ОКТА на основе сигнала интенсивности спекла или декорреляции (intensity-signal-based OCTA, speckle or intensity decorrelation). В этой категории можно выделить 2 группы: применяющие разделение спектра излучения и не разделяющие спектр. К первой относится алгоритм SSADA (split-spectrum amplitude decorrelation angiography), используемый производителем Optovue. Подход без разделения спектра получил реализацию в виде технологии FSADA (full-spectrum amplitude decorrelation angiography) от компании Heidelberg Engineering и OCTARA (OCTA Ratio Analysis), лежащей в основе ОКТА swept source томографа DRI OCT Triton от Topcon. Отдельно стоят прочие методы: ОКТА на базе карт корреляции (correlation-mapping OCTA), ОКТА на основе спекл-дисперсии (speckle-variance OCT);

3) ОКТА на основе комплексного сигнала (complex-signal-based OCTA). К этой группе можно отнести производителя Zeiss с его алгоритмом OMAG (Optical Micro Angiography), использующим и амплитудные, и фазовые данные ОКТ-сигнала. Похожий метод комплексной декорреляции (complex decorrelation) использован у Nidek [7].

Обсуждение преимуществ и недостатков каждого из упомянутых методов ОКТА выходит за рамки настоящей статьи. Существуют доказательства, что, например, разделение спектра в алгоритме SSADA приводит к некоторой потере аксиального разрешения, что не наблюдается при full-spectrum подходах. Однако подобные сравнения остаются уделом технических специалистов и стимулируются самими производителями, а нюансы различий технологий незаметны для рядового пользователя.

Преимущества SS-ОКТ

Главным и неоспоримым преимуществом SS-ОКТ является возможность достигать высокой скорости сканирования. Если уже используемый сегодня коммерческий томограф делает 100 000 А-сканов/ с, то обзор литературы описывает ряд прототипов на базе технологий SS-ОКТ, достигающих скорости 200 000–1 640 000 А-сканов/с и повышающих аксиальное разрешение до 5 мкм [1,8].

Справедливости ради надо отметить, что на стадии экспериментальной модели в литературе описаны и спектральные томографы со скоростными характеристиками 200–500 кГц [9–10]. Среди существующих на рынке спектральных томографов сходными по скорости являются линейка REVO NX (модель REVO NX 130–130 кГц, модель REVO NX – 110 кГц; Optopol, Польша) и CIRRUS 6000 (100 кГц; Carl Zeiss Meditec AG, Германия).

Возможность быстро получать сканы высокого разрешения позволяет выполнять более длинные сканы, одномоментно охватывая большую площадь биоткани, строить более подробные карты, состоящие из большего количества линейных сканов, эффективно справляться с микродвижением глаз и задачей шумоподавления, а также реализовывать алгоритмы ОКТА.

К преимуществам технологии можно отнести и возможность использования балансного детектирования. Балансный детектор состоит из двух одноэлементных высокочастотных фотодетекторов, один их которых расположен на прямом выходе волоконного интерферометра ОКТ-системы, а другой регистрирует обратный сигнал со стороны канала ввода излучения. Эти два сигнала в интерферометре имеют приблизительно равную амплитуду, но противоположную фазу. В балансном детекторе они вычитаются друг из друга, что позволяет устранить мешающий фон, поскольку он одинаков в обоих каналах. В спектральных Fourier-domain ОКТ спектрометр принимает сигнал только с прямого выхода интерферометра, а фотоны, направляющиеся в сторону источника излучения (канал ввода излучения), никак не используются. Это снижает теоретически достижимое соотношение сигнал/шум таких устройств в √2 раз за счет дробового шума.

Ко второму значительному преимуществу описываемой технологии относится использование длины волны в 1050 нм, которая лучше проходит в глубоколежащие ткани, меньше отражается на уровне слоя пигментного эпителия сетчатки (ПЭС) и, следовательно, позволяет получать высококачественные изображения сосудистой оболочки глаза. Именно внедрение сначала режима усиления глубины изображения (enhanced depth imaging, EDI) у спектральных томографов, а позже появление SS-ОКТ произвели революцию в понимании особенностей проявления заболеваний сетчатки пахихориоидального спектра. Воспроизводимая визуализация в высоком разрешении области хориосклерального соединения дает возможность в автоматическом режиме распознавать границы сосудистой оболочки и без измерений вручную определять ее толщину не только субфовеально, но и по всей макулярной зоне. Однако до сих пор отсутствует нормативная база данных толщины хориоидея.

Анализ клинических и post-mortem исследований демонстрирует высокую вариабельность толщины сосудистой оболочки глаза в популяции за счет влияния большого количества системных и демографических факторов.

Большинство исследователей сходятся на зависимости толщины хориоидеи от возраста (имеется тенденция к ее снижению) и аксиальной длины глаза [11–13]. Предполагают также влияние этнической принадлежности, пола, индекса массы тела [14], наличия таких системных заболеваний, как артериальная гипертензия, сахарный диабет и апноэ [15– 16]. Помимо перечисленного не исключено суточное колебание толщины сосудистой оболочки [17]. Ряд клинических и морфологических работ подтверждают ее топографическую вариабельность [18] и демонстрируют самые высокие результаты измерений в верхнем секторе макулярной зоны и субфовеально.

С учетом вышеперечисленного, а также возросшего интереса к проблеме оценки толщины хориоидеи глаза, главным образом из-за выделения в последние годы группы пахихориоидальных заболеваний, сегодня большинство исследователей называют значение в диапазоне 300–390 мкм как условно предельную толщину субфовеальной сосудистой оболочки. Случаи, превышающие это значения, могут быть отнесены к подозрительным на предмет наличия пахихориоидального состояния.

Недостатки SS-ОКТ

Традиционно предметом главной критики является аксиальное разрешение swept source томографов, которое уступает таковому на 2–4 мкм у современных спектральных томографов. Главные тому причины – узкая полоса спектра излучения сканирующего лазера и большая длина волны. Для Fourier-domain ОКТ, вне зависимости от способа детекции ОКТ-сигнала, аксиальное разрешение пропорционально центральной длине волны и обратно пропорционально спектральной ширине полосы источника света и описывается формулой:

ΔZ = 0,44·λ2/Δλ,

где λ – центральная длина волны; Δλ – спектральная ширина полосы источника света.

Таким образом, коротковолновый источник с широкой спектральной полосой потенциально имеет аксиальное разрешение выше.

Свой вклад вносит и используемая длина волны 1050 нм, которая меньше отражается структурами глаза, через которые проходит. Справедливости ради надо отметить, что по данным литературы сегодня имеются экспериментальные прототипы SS-ОКТ с аксиальным разрешением 5 мкм. Кроме того, следует понимать роль аксиального разрешения в получении качественной итоговой картины. Если обратиться к истории ОКТ и вспомнить революционный переход от time-domain ОКТ к Fourier-domain, то станет очевидно, что именно выросшая скорость сканирования, а не аксиальное разрешение, дала тот колоссальный технологический скачок.

Для сравнения: аксиальное разрешение самого массового time-domain томографа Stratus OCT составляло 8–10 мкм, аксиальное разрешение томографов второго поколения – 3–7 мкм, при этом качество сканов последних разительно отличалось от результатов томографов первого поколения. Здесь нужно отметить, что аксиальное разрешение тесно связано с количеством регистрируемых фотонов из заданной области А-скана. При увеличении аксиального разрешения в 2 раза число фотонов, регистрируемых от этого элемента разрешения, падает в 2 раза.

Таким образом, для сохранения приемлемого соотношения сигнал/шум нужно снижать скорость сканирования. Известно при этом, что основной вклад в «зашумленность» ОКТ изображений вносит спекл-шум, который эффективно устраняется лишь при усреднении множества сканов. Без применения специальных «интеллектуальных» методов обработки спекл-шум падает в √N раз при усреднении N сканов. Таким образом, понятно, что улучшение качества изображений современных ОКТ обусловлено более чем 100-кратным увеличением скорости сканирования – от 400 А-сканов/с при time-domain эпохе до 20 000–85 000 А-сканов/с с появлением спектральной ОКТ.

Не секрет, что помимо понятия «оптического аксиального» существует термин «программное, или интерполяционное, разрешение» – искусственное улучшение качества конечной картинки, представляемой пользователю, после программной обработки первичных сканов.

Существует множество ноу-хау и различных способов решения задачи обработки первичного изображения, главной целью которого является «нарисовать неразличимое» путем аппроксимаций и экстраполяций. Подобный постпроцессинг выполняется при любом протоколе сканирования любого томографа, и его целью является решение целого ряда технических проблем, связанных в первую очередь со спекл-шумом, а также микродвижением глаз. И тут мы опять возвращаемся к высокой скорости сканирования, так как чем выше скорость, тем большее количество сканов можно выполнить строго в одной и той же точке, тем совершеннее будет работать алгоритм шумоподавления и тем ближе к реальности будут «достраиваемые» путем усреднения сканы. Работа B. Sander и соавторов наглядно демонстрирует, что применение современных алгоритмов увеличения отношения сигнал/шум позволяет визуализировать и распознавать все слои сетчатки на сканах time-domain томографов первого поколения не хуже, чем от спектральных [19].

В качестве итога можно сказать, что рядовой пользователь современных томографов вряд ли почувствует разницу в качестве сканов, полученных с помощью томографов, имеющих аксиальное разрешение 3 и 8 мкм. И уж тем более эта разница никак не повлияет на точность поставленных диагнозов. Кроме того, есть основания надеяться, что в недалеком будущем аксиальное решение современных SS-ОКТ удастся повысить до значений, сходных с таковыми у спектральных томографов. Несколько подобных прототипов уже заявлены в проводимых исследованиях [10].

Вторым фактором, сдерживающим повсеместное распространение SS-ОКТ, является его высокая стоимость. Она обусловлена, главным образом, стоимостью используемого лазерного источника. Применение технологии синхронизации мод излучения на основе свипирования линии генерации (Fourier Domain Mode Locking, FDML) произвело прорыв, позволивший реализовать на практике идею высокоскоростной SS-ОКТ. Однако стоимость одного такого лазера превышает среднюю стоимость всего спектрального томографа, а также требует дорогих сопутствующих комплектующих (резонатора, фильтров, усилительных модулей и проч.). Но и для этой проблемы есть надежда на скорое решение. Исследуется возможность создания SS-ОКТ с использованием технологии фотонных интегральных схем, что не только существенно снизит стоимость конечного продукта, но и сделает его компактнее [20].

Сравнительные исследования спектральной и -SS-ОКТ

Методология научного исследования строго диктует необходимость сравнивать любой появляющийся новый диагностический метод с «золотым стандартом», коим в области ОКТ, безусловно, является спектральная ОКТ (spectral-domain ОКТ, SD-ОКТ). Подобных работ с момента презентации SS-ОКТ было выполнено множество, и все их можно разделить на 2 группы: исследования, оценивающие диагностическую значимость и точность двух технологий ОКТ, и работы, сравнивающие результаты различных численных измерений, выполненных на одном объекте (толщина слоев сетчатки и хориоидеи, размеры субретинальной неоваскулярной мембраны, площадь васкуляризации, параметры диска зрительного нерва и т. д).

Большинство работ, сопоставляющих результаты численных измерений SD- и SS-ОКТ, продемонстрировали значимые различия [21– 26]. Задача объяснения причин вызывает много вопросов. Следует помнить, что дизайн подобных исследований предусматривает много допущений.

У разных моделей томографов различаются протоколы и области сканирования – их локализация, размер, количество, разрешение и шаг сканов. Погрешность может возникать на этапе постпроцессинга первичных В-сканов и зависеть от применяемого алгоритма шумоподавления и усреднения.

Кроме того, разные разработчики по-разному определяют границы слоев сетчатки (например, внешние границы сетчатки определяются по внешней или внутренней поверхности ПЭС). Ни одно из исследований не отвечает на вопрос, имеет ли какой-либо из методов ОКТ преимущество. И справедливости ради надо сказать, что выявляемые различия хотя и статистически значимы, но численно колеблются в пределах 5–25 мкм, что может быть существенно для исследовательской офтальмологии, но не для практической медицины.

Если же говорить о сравнении диагностической информативности технологий SD- и SS-ОКТ, то исследования продемонстрировали, что новый принцип ОКТ не уступает традиционной спектральной в диагностике заболеваний сетчатки и зрительного нерва [26–28]. Ни в одном исследовании с достаточной численностью группы наблюдения не было продемонстрировано преимущества одного метода ОКТ перед другим.

Сегодня все споры на эту тему лежат в плоскости задач, которые ставит перед собой оператор/врач, специфики работы офтальмологических отделений, личных предпочтений и привычек врача, а также амбиций маркетологов компаний-производителей.

ОКТ является одной из самых динамично развивающихся технологий в сфере производства офтальмологического диагностического оборудования. Новые источники излучения, оптические системы, методы обработки изображений, а также достижения в области машинного обучения создают высококонкурентную среду, рождающую каждый год новинки медицинской промышленности. Понимание физических принципов метода, его достоинств и ограничений облегчает навигацию специалиста среди новинок рынка. Анализ последних достижений в области ОКТ указывает на формирование нового поколения томографов – высокоскоростных и широкопольных, и SS-ОКТ создает здесь достойную конкуренцию традиционной ОКТ.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

Сведения об авторах

Семенова Н.С. – канд. мед. наук, доцент кафедры офтальмологии факультета фундаментальной медицины; https://orcid.org/0000-0002-7928-5410

Ларичев А.В. – канд. физ.-матем. наук, доцент кафедры медицинской физики физического факультета; https://orcid.org/0000-0002-7615-3199

Акопян В.С. – д-р мед. наук, профессор, зав. кафедрой офтальмологии факультета фундаментальной медицины; https://orcid.org/0000-0003-0481-3642

Автор, ответственный за переписку: Семенова Наталия Сергеевна – e-mail:semenovans@gmail.com

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail