ΟΠΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ (OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPΗY) ΚΑΠΝΙΣΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ 09102275 ΥΠΕΥΘ. ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: Μ.ΜΑΚΡΟΠΟΥΛΟΥ 4/4/06

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΦΥΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Υψηλής ευκρίνειας βιοϊατρική μορφή απεικόνισης. Αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του ’90. Δυνατότητα για μη επεμβατική, in situ απεικόνιση της μικροδομής του ιστού, με διακριτική ικανότητα μικρότερη του 1μm. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν δίοδοι υπερφωταύγειας (SLDs) σαν οπτικές πηγές. Οπτική σάρωση του δείγματος με υπερβραχύ παλμό δέσμης laser, ανάκλαση του φωτός και χωρικός εντοπισμός του με χρήση συμβολομετρίας . Απεικόνιση στην κλίμακα του γκρίζου ή σε ψευδόχρωμα.

2. ΦΥΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ H ένταση του φωτός που φθάνει στον ανιχνευτή δίνεται από τη σχέση : Iανιχν.=¼|Eαναφ.|²+¼|Eιστού.|²+½Γ(Eαναφ.,Eιστού.)cos(2kΔl) όπου: Eαναφ. : τo πεδίo της δέσμης αναφοράς Eιστού. : το πεδίο της δέσμης του ιστού-δείγματος Γ(Eαναφ.,Eιστού.) : η συσχέτιση των πεδίων αναφοράς και ιστού k=2π/λ : το κυματάνυσμα Δl : η σχετική διαφορά δρόμου μεταξύ των κλάδων αναφοράς και δείγματος Λόγω σκεδάσεων η πλειοψηφία των φωτονίων που εισέρχονται στον ιστό δεν φθάνουν ποτέ στον ανιχνευτή. Συμβάλλουν ενισχυτικά μόνο τα φωτόνια που έχουν διατηρήσει τη φάση τους και βρίσκονται μέσα στο χωρικό εύρος του παλμού αναφοράς. Φωτόνια με τυχαίες φάσεις ή που βρίσκονται εκτός του εύρους του ανιχνευτή αποτελούν μια σταθερή συνιστώσα θορύβου.

Μετά από ένα βάθος (z) σάρωσης, η ακτίνα σαρώνεται στην εγκάρσια κατεύθυνση (x) και εκτελούνται πολλαπλές αξονικές μετρήσεις. Παράγεται μια δισδιάστατη σειρά στοιχείων. Ομοίως η ακτίνα σαρώνεται και στην τρίτη διάσταση (y). Μια νέα σειρά στοιχείων συλλέγεται διαμορφώνοντας έτσι ένα τρισδιάστατο όγκο. Γρήγορη σάρωση Για να διατηρείται μια αναλογία σήματος/θόρυβο στα 100-110dB απαιτείται πηγή με ισχύ εξόδου 5-10mW με την οποία μπορούν να αποκτηθούν εικόνες με ανάλυση 250-500 pixels ανά δευτερόλεπτο. Μπορούμε να απεικονίσουμε τη λειτουργία των καρδιακών βαλβίδων!

Η συνήθης περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που χρησιμοποιείται είναι το κοντινό υπέρυθρο (0,8μm-1,3μm) διότι : α) εξασφαλίζεται η ελάχιστη δυνατή απορρόφηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας από τους ιστούς και β) στην περιοχή αυτή υπάρχουν πολλές πηγές φωτός με μικρό μήκος συμφωνίας (π.χ διοδικά laser titanium sapphire Ti:Al2O3 0.7μm-1.1μm). Βάθος διείσδυσης ~ μήκος κύματος λ Σε διαφανείς ιστούς π.χ μάτι : 800nm Σε αδιαφανείς ιστούς π.χ δέρμα : 1300nm Διακριτική ικανότητα Ανάλογη του μήκους συμφωνίας της πηγής Δz ≈ λ²/Δλ όπου: λ : μήκος κύματος της πηγής Δλ : εύρος ζώνης της πηγής

Το βάθος απεικόνισης εξαρτάται από την οπτική απορρόφηση και τις σκεδαστικές ιδιότητες του ιστού/δείγματος. Η διείσδυση απεικόνισης κυμαίνεται από δεκάδες χιλιοστά για διαφανείς ιστούς μέχρι λιγότερο από 3mm για ιδιαίτερα σκεδαστικούς ιστούς.

ΑΛΛΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ 1) Doppler OCT Κινούμενοι σκεδαστές ανιχνεύονται μέσα στο δείγμα με τεχνικές μετατόπισης φάσης. Μέτρηση της ροής ρευστών μέσα σε μικρά τριχοειδή αγγεία π.χ στο δέρμα, τον αμφιβληστροειδή και την καρδία. 2) PS-OCT (polarization sensitive) Πολλοί διατεταγμένοι ιστοί όπως ο μυς, ο χόνδρος, το στρώμα οπτικού νεύρου του αμφιβληστροειδή είναι διπλοθλαστικοί και αλλάζουν την κατάσταση πόλωσης του φωτός. Με την τεχνική αυτή μετρούνται και ποσολογούνται οι διπλοθλαστικές ιδιότητες του ιστού. Ανιχνεύονται διπλοθλαστικές αλλαγές που υπονοούν παθολογικές αλλαγές, εξάπλωση ασθενειών και θερμικές αλλαγές στους ιστούς. 3) Spectroscopic OCT Οι φασματοσκοπικές πληροφορίες εξάγονται από το δείγμα εφαρμόζοντας ψηφιακούς αλγόριθμους επεξεργασίας σήματος για να μετασχηματιστούν τα στοιχεία από την χωρική περιοχή στην περιοχή της συχνότητας (φασματική). Ανιχνεύονται αλλαγές στις φασματοσκοπικές ιδιότητες του ιστού.

3. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Οφθαλμολογία Καρδιολογία Ογκολογία Γαστρεντερολογία Βιολογική Μικροσκόπηση

Οφθαλμολογία Ήτανε η πρώτη κλινική εφαρμογή για την οπτική τομογραφία. Οι διαφανείς ιστοί του ματιού επιτρέπουν την απεικόνιση της εμπρόσθιας οφθαλμικής δομής και του αμφιβληστροειδή. Εμπρόσθια οφθαλμική δομή Αλλαγές στον κερατοειδή χιτώνα. Αλλαγές στην κυρτότητα ή διαθλαστική ικανότητα μετά από laser ή χειρουργικές επεμβάσεις. Οξείες αλλαγές λόγω γλαυκώματος ή καταρράκτη. Αμφιβληστροειδής Απεικόνιση του με χρήση PS-OCT. Αδύνατη μέχρι σήμερα με άλλη μέθοδο. Σαφής σκιαγράφηση των μεμονομένων αμφιβληστροειδικών στρωμάτων. Υποαμφιβληστροειδείς αλλαγές που συνδέονται με κηλιδικές τρύπες, κηλιδικό οίδημα και αιμορραγίες. Απεικόνιση της αμφιβληστροειδικής ροής αίματος με χρήση Doppler OCT.

b) Καρδιολογία Παρουσία ιδιαίτερα σκεδαστικού αίματος. Εφαρμόζονται εσωτερικές τεχνικές χρησιμοποιώντας ελάχιστους όγκους από αλατόνερο για να καθαρίσει προσωρινά τις περιοχές απεικόνισης από το αίμα. Διάκριση των στρωμάτων του αρτηριακού τοιχώματος και των παθολογικών αλλαγών που εμφανίζονται λόγω της αθηροσκλήρυνσης. Απεικόνιση της πρακτικής της αγγειοπλαστικής και του ανοίγματος με δακτυλίδι των στενεμένων στεφανιαίων αρτηριών για επιβεβαίωση της τοποθέτησης του δακτυλιδιού στο σωστό σημείο του αρτηριακού τοιχώματος. Απεικόνιση φλεγμονωδών κυττάρων στη στεφανιαία αρτηρία που υποδηλώνουν την ανάπτυξη ασθένειας.

c) Ογκολογία Διάκριση της μορφολογικής δομής του κανονικού και νεοπλασματικού ιστού. In situ προσδιορισμός των όγκων και των περιθωρίων τους. Χρήση σε εικονο-καθοδηγημένες χειρουργικές διαδικασίες (έλεγχος για την αφαίρεση ολόκληρης της έκτασης του όγκου). Προσδιορισμός των πρόσφατων μορφολογικών αλλαγών των ανώμαλων κυττάρων που βρίσκονται μακριά από τον αρχικό όγκο (μετάσταση του όγκου).

d) Γαστρεντερολογία Ο οισοφάγος του Barrett είναι μια κατάσταση όπου τα κύτταρα του ακραίου οισοφάγου υποβάλλονται σε μια μεταπλαστική αλλαγή και γίνονται όμοια με τα κύτταρα RES του χαμηλότερου γαστρεντερικού κομματιού. Θεωρείται ότι προκαλείται από γαστροοισοφαγική αντιστροφή ροής υγρών. Μελέτες έχουν καταδείξει ότι προκαλεί 30-125 φορές αύξηση του κινδύνου για ανάπτυξη αδενοκαρκινώματος. Συστήνεται ενδοσκοπική επιτήρηση του επιθηλίου Barrett κάθε 12-18 μήνες.

e) Βιολογική Μικροσκόπηση Ο συνδυασμός της σύμφωνης πηγής laser του συστήματος της οπτικής τομογραφίας (OCT) με μικροσκόπια μεγάλου αριθμητικού ανοίγματος επιτρέπει μεγάλη εγκάρσια και αξονική ανάλυση απεικόνισης βαθιά μέσα σε ιδιαίτερα σκεδαστικά δείγματα. Αυτή η μέθοδος έχει κληθεί ως σύμφωνη οπτική μικροσκόπηση (OCM). Απεικόνιση κυτταρικών διαδικασιών όπως η μίτωση και η μείωση.

4. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ 4. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ Υπολογιστική τομογραφία Μαγνητική τομογραφία Υπερηχωτομογραφία Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου (PET) Τομογραφία εκπομπής φωτονίου (SPECT)

Υπολογιστική τομογραφία Μέθοδος πυρηνικής ιατρικής. Το μετρήσιμο μέγεθος είναι η εξασθένιση των ακτίνων-X που διέρχονται μέσα από τους ιστούς. Νi=No*exp(-μΔx) όπου: Nο=ένταση ακτίνας-X εισόδου Νi=ένταση ακτίνας-X εξόδου μ=συντελεστής εξασθένισης ιστού Δx=μήκος διέλευσης μέσα στον ιστό Μικρότερη διακριτική ικανότητα και μικρότερη ταχύτητα σάρωσης. Επιβλαβής λόγω της ιοντίζουσας ακτινοβολίας που χρησιμοποιεί. Υψηλό κόστος. Μαγνητική τομογραφία (Magnetic resonance imaging) Η απεικόνιση με μαγνητικό συντονισμό βασίζεται στη διέγερση πυρήνων υδρογόνου. Το μετρήσιμο μέγεθος είναι ο χρόνος που απαιτείται για την επαναφορά της διαμήκους συνιστώσας της μαγνήτισης στην αρχική της τιμή. Ονομάζεται χρόνος διαμήκους χαλάρωσης και η τιμή του εξαρτάται από τον τύπο του ιστού. Υψηλή διακριτική ικανότητα. No μ Ni Δx

c) Υπερηχωτομογραφία Ήχος με συχνότητα 1MHz<f<20MHz. Σάρωση του ιστού και ανάκλαση της υπερηχητικής δέσμης I=Io*exp(-μx) Έχει 1-2 τάξεις μεγέθους μικρότερη χωρική ανάλυση από την οπτική τομογραφία. Απαιτεί επαφή με το δείγμα διότι ο ήχος δεν διαβιβάζεται εύκολα μέσω του αέρα. Γρήγορη σάρωση. Σχετικά χαμηλού κόστους.

d) PET e) SPECT Μέθοδος πυρηνικής ιατρικής. Χορήγηση ραδιοφαρμάκου. Βασίζεται στο φαινόμενο της εξαΰλωσης. Ανίχνευση ακτινοβολίας-γ 511keV. Χαμηλής διακριτικής ικανότητας. Παρέχει πληροφορίες λειτουργικής δραστηριότητας. e) SPECT Ανίχνευση ακτινοβολίας-γ χαμηλής ενέργειας. Απεικόνιση εσωτερικών οργάνων χωρίς τη χρήση ενδοσκοπίων.

5. ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΘΙΕΡΩΣΗ ΣΤΙΣ ΚΛΙΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΚΑΡΔΙΟΛΟΓΙΑΣ, ΟΓΚΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΓΑΣΤΡΕΝΤΕΡΟΛΟΓΙΑΣ. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΕΩΝ ΠΗΓΩΝ LASER ΓΙΑ ΝΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΟΥΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΘΕΣΗΣ ΣΤΗΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΩΝ ΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΕΝΔΕΧΟΜΕΝΩΣ ΓΙΑ ΝΑ ΠΑΡΕΧΟΥΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΤΟΥ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ. ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Mapping Brain Function

FUTURE (2054): Image Thoughts of PreCogs FUTURE (2054): Image Thoughts of PreCogs. "Pre-Crime" Spielberg et al, "Minority Report" (2002) ΤΕΛΟΣ

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ “Εφαρμογές των Laser στη Βιοϊατρική και το Περιβάλλον”, Ελληνική Μετάφραση: Α.Σεραφετινίδης και Μ.Μακροπούλου. Δ.Κουτσούρης, Κ.Νικήτα, Σ.Παυλόπουλος:“Ιατρικά Απεικονιστικά Συστήματα”. Ε.Ν.Γαζής: “Ιοντίζουσες Ακτινοβολίες”. Minerva Biotecnologica: “Optical Coherence Tomography, Principles applications and advances”. Journal of Biomedical Optics: “Optical probes and techniques for molecular contrast enhancement in coherent imaging”. http://lob.epfl.ch/page45967-en.html. http://www.columbia.edu/ ~ahh2004/projects/tomography.