Seminário OCT

Tomografia por Coerência Óptica:
Princípios, Técnicas e Aplicações

Seminário do grupo de Biofotônica
Mariana T. Carvalho

11 de Março de 2010

Sumário

• Histórico
• Princípios básicos
• Aplicações

OCT - Optical Coherence Tomography

Vitreous NFL
Optic Disc
Fovea 250
µm

Photoreceptors Choriocapillars
i
250 µm
Log Reflection

e
sm
om

epiglottis
fat

dista 1 mm proximal
l

Primeira demonstração de OCT (1991)

Retina humana
ex vivo e histologia
correspondente

D. Huang, et al,
Science 254, 1178
(1991)

História do OCT
1991 Demonstração do OCT in vitro
1993 Primeiras imagens in vivo da retina
1994 Transferência da tecnologia para Humphrey
Instruments
1995 Início dos estudos clínicos
(glaucoma, AMD, retinopatia diabética)
1996 Introdução do instrumento comercial do OCT
oftalmológico
1999 Aproximadamente 200 unidades vendidas
2000 Introdução do OCT2, 2ª geração do
instrumento do OCT oftalmológico
2002 Introdução do StratusOCT, 3ª geração

Retinografia

Foto da superfície da Retina – Pode não mostrar sinais
importantes para o diagnóstico de doenças oftálmicas

OCT Oftalmológico

Carl Zeiss
Meditec

OCT1 (1996)

OCT2 (2000)

Stratus OCT3 (2002)

Optical Coherence Tomography (OCT)
Imagem usando “ecos” de luz
Intervalo de tempo
Método de diagnóstico por
entre os pulsos
Luz incidente
imagem, capaz de observar
a microestrutura interna dos
tecidos biológicos.

Baseado na interferometria Intervalo de tempo =
de baixa coerência para
Distância x Velocidade
medir o atraso entre os
“ecos” (pulsos) de luz.

A tomografia
A capacidade da TCO de óptica é similar
gerar imagem de tecidos ao ultra-som do
moles e duros sem haver modo
dano ao paciente, a torna B, utilizando
de grande interesse para ondas de luz ao
essa área. invés de ondas
Tecido / espécime sonoras.

Imagem de OCT da secção transversal

Varredura transversal

B-scan
Luz retroespalhada
Varredura axial
(Profundidade)

A-scan
Amostra de
tecido biológico

Huang, et al, Science, 254 (1991)

• Um interferômetro funciona pelo princípio que duas ondas que
coincidam com a mesma fase irão amplificar-se mutuamente, enquanto
que se ela estiverem com fases opostas (90º de diferença) irão cancelar-
se.
• Fontes de luz:
– Monocromáticas: “único” comprimento de onda.
– Policromáticas: vários comprimentos de onda (espectro largo ou várias
linhas).
– Luz branca: fonte com todo espectro de luz visível ou combinação de
vermelho, verde e azul dando a impressão visual de branco. A luz branca
de espectro largo tem comprimento de coerência muito pequeno (alguns
micrometros).
– Coerência: propriedade das ondas que as permite exibir interferência. O
grau de coerência mede a qualidade da interferência.
• Coerência temporal, mede quão bem uma onda pode interferir com ela mesma em
tempos diferentes, O comprimento de coerência é definido pela distância que a onda
percorre durante o tempo de coerência.

• Alguns tipos de interferômetros: Michelson, Mach-Zehnder, Fabry-
Perrót, ...

Geração da imagem
Varredura transversal

Luz retroespalhada
Varredura axial
(Profundidade)

Amostra
Transversal Transversal Transversal

x PRIORIDADE NA DIREÇÃO x PRIORIDADE NA DIREÇÃO x
AXIAL TRANSVERSAL EN FACE

Feixe Feixe Feixe
incidente incidente incidente

z z z
Axial Axial Axial
(Profundidade) (Profundidade) (Profundidade)

y y y

Comparada a outras técnicas para a geração
de imagens na medicina
1 mm
Padrões
Clínicos

ULTRA-SOM
RESOLUÇÃO [log]

100 m

Alta
Freqüência

10 m

TOMOGRAFIA POR
COERÊNCIA ÓPTICA

1 m

MICROSCOPIA
CONFOCAL
100 mm 1 mm 1 cm 10 cm

PROFUNDIDADE DA IMAGEM [log]
Todas as técnicas de geração de imagem são complementares, cada uma atua melhor em uma região específica

Limites de Resolução
• Axial – Comprimento de coerência da luz:
2ln 2 2
z  0
Δz
 
Assumindo: Espectro Gaussiano, meio não dispersivo
Δx
• Transversal – Abertura numérica do foco (lente):

2b 4f
x  2 0   Pequena AN

 d 2√2ωc

Grande AN
Δlc Δlc
• Sensibilidade: zR
2 ωc
b b

 P 
SNR  10 log
zR

 2hNEB 
Inverso da refletividade, na qual SNR é igual a 1

Largura de Banda – Resolução Axial

2ln 2 2
z  0
 

z… Comprimento de
coerência
o… Comprimento de
onda central
… Largura de banda
à meia altura
(FWHM)
Assumindo:
Espectro Gaussiano, meio não dispesivo

Fonte de luz x Resolução do OCT
Ti:Sapphire
Power Spectral Density (a.u.)

260 nm

SLD
32 nm

650 700 750 800 850 900 950 1000
Wavelength (nm)
Intensity (a.u.)

11.5 µm

1.5 µm

-12 -8 -4 0 -4 -8 +12
Delay (µm)

Como funciona?

I  I1  I 2  2 I1I 2 cos(2  )
variando  variando   – atraso no caminho óptico
 - freqüência óptica

Time domain Spectral/Fourier domain
Optical Coherence Optical Coherence
Tomography: Tomography:

Interferometria de baixa coerência
OCT – domínio do tempo
λ
2
Referência
(móvel)

L

Fonte
Amostra
Luminosa
λ
2
Divisor de
Feixes z

Detector L

Intervalos de tempo entre os ecos da luz refletida são medidos por correlação

Sistema para fazer imagens com OCT

Circulador Sonda OCT
Fonte de Luz de
1 2
Baixa Coerência 3
50/50
Amostra
Feixe guia
90/10

Controle de
Detector +_ Polarização Linha de atraso
de alta velocidade
• Galvanômetro com braço e
Filtro espelho de canto de cubo;
Demodulador Computador
passa-banda • Roda dentada;
• Fast Fourier Scanning;
•…

Sistema para fazer imagens com OCT

Fonte de Banda
H2O Espelho de
larga
referência
D1 BK7 FS
Filtro passa-banda -
Demodulator
(eletrônica) +
D2 Sistema de varredura
PC Detecção Varredura
Balanceada Transversal
Ocular

Divisor de
Objetiva de feixes
visualização da
lâmpada de fenda
Plano de imagem da
lâmpada de Fenda

Princípios

I  I1  I 2  2 I1I 2 cos( )
I ( )  I1 ( )  I 2 ( )  2 I1 ( ) I 2 ( ) cos( )

1. Laser sintonizável (open-
cavity, dye, etc…) –
OFDR, Swept Source OCT;
2. Espectrômetro – Spectral
Radar, Spectral OCT

Interferometria no domínio Fourier/Espectral
Espectro da Interferência

Referência c/2L
(parada)

Amostra

Fonte com
Banda larga frequência
Transformada de Fourier
Divisor
De feixes L

Espectrômetro

frequência ~ distância

Princípio básico de funcionamento da
tomografia por coerência óptica espectral

Espelho de
referência fixo

Amostra
+
Fonte com
banda larga =
Divisor FFT
de L

Amplitude
feixes
+
Espectrômetro
Distância

High Speed, UHR-OCT

Spectral bandwidth Point spread function

Axial image Resolution: ∆z = 2ln(2)λ02/(π∆λ)
2.6 µm in air, ~2 µm in the retina

Limitações da técnica – Resolução do
espectrômetro

Short Delays - Long Delays -
Low frequency fringes High frequency fringes

Limitações da técnica – Resolução do
espectrômetro
Short Delays - Long Delays -
Low frequency fringes High frequency fringes

Lower fringe amplitude / bandwidth for high frequency
fringes

Perda de Sensitividade e Resolução
com a posição axial

Perda de Sensitividade e Resolução
com a posição axial

Sensitividade vs posição axial Resolução vs posição axial

Distância
útil

A distância útil para a imagem é limitada pela perda de
sensitividade

Limitações da técnica – Sensitividade e
resolução variando com a profundidade

Resolução do espectrômetro
Limite de profundidade de 1.5 mm
Mapeamento não linear de
Variação de 14 dB em sensitividade comprimento de onda para
Resolução degrada-se de 3 µm para freqüência
4 µm Tamanho dos pixels
Cross talk entre os pixels

Imagens conjugadas
I  2 I1I 2 cos(2  0 )  I1I 2 exp( i 2  0 )  exp( -i 2  0 )
FT (I )
O alinhamento do instrumento é muito importante
O sistema não distingue entre atrasos positivos e
negativos
Artefatos – imagem conjugada – podem ocorrer
-0 0 

Geração de imagens por tomografia
por coerência óptica espectral Espelho de
referência
Fonte de Banda fixo
Larga
(Laser/SLDs) Filtro

Espectrômetro + BK7 FS
Câmera CCD

Sistema de varredura
Varredura
Transversal

Computador
Amostra

Imagens oftalmológicas
Espelho de
Fonte de referência
fixo
Banda Larga
H2O Filtro

Espectrômetro + BK7 FS
Câmera CCD

Sistema de varredura
Varredura
Transversal
Ocular

Divisor de
feixes
Objetiva de
visualização da
lâmpada de fenda

Plano de imagem
da lâmpada de
Fenda
computador

OCT: Imagem Oftalmológica
Câmara Anterior

cornea

sclera
iris
lens

Retina
fovea optic disc

250 µm

temporal nasal

250 µm

10 µm resolução axial

250 µm

3 µm resolução axial

W. Drexler, et al. Nature Medicine (2001)

Imagens de alta definição
High speed UHR-OCT ILM

NFL
GCL
2048 x 1024 pixel IPL
INL
OPL
0.13 sec ONL
ELM
IS/OS
RPE/Choroid

UHR-OCT
NFL
GCL
600 x 1024 pixel IPL
INL
OPL
4 sec ONL
ELM
IS/OS
RPE/Choroid

Temporal Nasal

High Speed UHR-OCT
usando a detecção no domínio Espectral/Fourier

Vantagens: Desvantagens:
• 20dB de aumento em • Em medidas de baixa
sensitividade comparado ao velocidade, o padrão de franjas
OCT padrão ou 100 vezes mais espectrais se cancela (média)
rápido com a mesma
• Sensitividade diminui com a
sensitividade
profundidade
• Aquisição de dados totalmente
• Resolução diminui com a
digital (acesso direto ao
profundidade
espectro)
• Presença de artefatos de
• Mais sensível à fase do padrão
coerência (autocorrelation terms)
de franjas espectrais
(permitindo medir Doppler) • Presença de imagem conjugada
após FFT

Qualidade da imagem
ILM
NFL
Plexiforme Interna
IPL

Camada Nuclear Interna
INL

OPL Plexiforme Externa

ONL Camada Nuclear Externa
ELM
ELM

IS/OS Cones e Bastonetes
RPE Epitélio pigmentado
Coróide
Esclera

Arquitetura Morfológica da Retina
Nerve Fiber Layer (NFL)
(Camada de fibras nervosas)

Ganglion Cell Layer (CGL)
(Camada de células glaglionares)
Ganglion Cells
(células ganglionares) Inner Plexiform Layer (IPL)
(plexiforme interna)

Inner Nuclear Layer (INL)
(Camada nuclear interna)
Bipolar Cells
(células bipolares) Outer Plexiform Layer (OPL)
(plexiforme externa)
External Limiting
Outer Nuclear Layer (ONL)
Rod and Cone (Camada nuclear externa)
Membrane (ELM)
(Membrana externa)
Receptors
(fotoreceptores Photoreceptor Inner Segment (IS)
(segmento interno dos fotorreceptores)
cone e bastonetes)
Photoreceptor Outer Segment (OS)
(segmento externo dos fotorreceptores)
Retinal Pigment
Epithelium Retinal Pigment Epithelium (RPE)
(epitélio pigmentar da retina)
(epitélio pigmentar
da retina) Müller Cell
(células de Müller)

Aplicações diversas

• TCO em oftalmologia
• TCO em dermatologia
• Outras aplicações médicas
• Biópsia óptica
• TCO em odontologia
• Outras aplicações

Imagens de tomografia por coerência
óptica espectral em pequenos animais
Fonte de Espelho de
Banda Larga referência
fixo
(Laser/SLDs) Filtro

BK7 FS

Varredura
Espectrômetro Sistema de Transversal
+ Câmera CCD varredura

computador

Odontologia
Linha de atraso rápida de
Fourier

Amostra

Laser em
830 nm

detector

Esmalte
Dentina

Câmara
pulpar 100 μm

Recife, 31 de Outubro Tese de Doutorado - Mariana Torres 45

Resultados
Câmara
Pulpar canal
radicular
Dentina 100 µm

Esmalte

400 μm acima do
canal radicular
Câmara
Dentina Pulpar 100 µm

Esmalte

Esmalte Dentina Coroa

100 µm

Recife, 31 de Outubro Tese de Doutorado - Mariana Torres 46

Geração de imagens por tomografia por
coerência óptica com fonte de freqüência
variável
Fonte com freqüência
variável

circulador Espelho de
Trigger para varredura do laser

1 2 referencia
Fotodiodo I
3
Acoplador
Filtro FP
de referência
50GHz
Fotodiodo II Óptica de Amostra
+ - varredura xy
Fotodiodo de
calibração Amplificador
diferencial

Passa-banda
eletrônico 10 - 40 MHz - Recalibração
NI 5122 conversor A/D - FFT
(2-ch,) 100 M-amostra/s PC - Criação da
imagem

SC SC
ED
DEJ
N
1mm 20kHz 20kHz 1mm

SC
SD
DEJ
1mm 20kHz 27kHz
1mm

SC: stratum corneum DEJ: DE junction N: nail
SD: sweat duct ED: epidermis

Biópsia Óptica

Definição: A imagem in situ da
microestrutura do tecido com uma
resolução aproximada da histologia, mas
sem a necessidade de extrair ou de
processamento do tecido.

Imagem longitudinal do embrião do
peixe zebra em desenvolvimento
Zygote Cleavage 16 cell High

Shield 10-somite Prim5 Prim5

Resolução sub-celular do OCT In vivo

100µm

1 x 3 µm (long. x trans.)
Girino do
0.75 x 0.5 mm
Xenopus laevis
1700 x 1000 pixels
(Rã Africana)

W. Drexler, et al.
Opt. Lett. (1999)

OCT Endoscópico
Esôfago
Estômago

Intestino
delgado
Cólon

Reto

M.V. Sivak, et al, Gastrointestinal Endoscopy 2000: 51, 474 Case Western Group

OCT endoscópico comercial

Imagens endoscópicas e
broncoscópicas – parceria com
Pentax

Imagem intravascular

Empresa adquirida pela
Goodman, Ltd.

Artéria humana In vivo

Prof. E. Grube - Siegburg Heart Center
LightLab Imaging 0.014” ImageWire

Imagem de OCT Endoscópica

Beam Housing

catheter on penny

A sonda é introduzida pela
porta de biopsia através de
um endoscópio padrão.

Esôfago normal e pré-cancerígeno
Normal Barrett’s
Endoscopy Biopsy Histology Endoscopy Biopsy Histology
Barrett’s
Epithelium
OCT
Catheter

250 µm 500 µm

Catheter Sheath
c
ep
lp
mm
sm
g
mp

OCT 500 m OCT 500 m

ep: epithelium lp: lamina propria c: crypts g: glands
mm: muscularis mucosa sm: submucosa
mp: muscularis propria
Li, et al, Endoscopy 32, (2000)

Câncer de cólon Ex vivo
Normal Colon Ulcerative Colitis Adenocarcinoma
m
u

mm

v
500 μm 500 μm 500 μm

C. Pitris, et al, J. Gastroenterology 35, 87 (2000)

OCT em Broncoscopia
Normal bronchus
Edema Carcinoma
E
SM

C

(epithelium E, submucosa SM, cartilage C)

N. Gladkova, et al, Nishny Novgorod Group

Análise de restaurações dentárias
Espelho móvel de
referência
Fonte

Acoplador
Sistema de 50/50
detecção 100 μm

Fenda

Laser

Espelho de
Detector referência 150 μm

Amostra

Análise de restaurações dentárias
Fenda

Superfície
Ar / Esmalte
0,0025

Superfície
0,0020 ar / esmalte Fenda
Fenda
120um
120μm
Intensidade (ua)

0,0015

0,0010

0,0005

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Profundidade (mm)

Conclusões

• Técnica não invasiva de diagnóstico
• OCT consegue visualizar patologias com
resolução inédita
• Melhoria no entendimento de patogêneses
• Promessa de melhoria para medidas quantitativas
• Pode acompanhar a progressão de doenças

"A mente que se abre a uma nova idéia
jamais voltará ao seu tamanho original"

Albert Einstein

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