Doppler optisk koherenstomografi

Doppler optisk koherenstomografi
Syfte	bilder av vävnad via bakåtspritt ljus

Optisk koherenstomografi (OCT) är en teknik som visar bilder av vävnaden genom att använda bakåtspritt ljus.

Inte bara för att bevara förträffligheten hos OCT, doppler optisk koherenstomografi kombinerar även dopplereffektprincipen som helhet, vilket resulterar i tomografiska bilder med hög upplösning.

Historia

På grund av den erkända betydelsen av icke-invasiva avbildningstekniker inom det medicinska området, särskilt för avbildning av blodflödet in vivo , har OCT blivit ett populärt forskningsämne nyligen. Doppler Optical Coherence Tomography bevarar inte bara förträffligheten hos OCT utan kombinerar även Dopplereffektprincipen som helhet, vilket resulterar i tomografiska bilder med hög upplösning med statiska och rörliga beståndsdelar.

rapporterades den första användningen av koherensstyrning till lokaliserad flödeshastighet . Författaren till den artikeln mätte den 1-dimensionella hastigheten för flödet av partiklar , som flammade iväg i koherensgrindningsmätningar. Forskare fortsätter att hitta sätt att mäta 2-dimensionell hastighet, och det första resultatet rapporterades 1997, där det rapporterade att använda spektrogram för att göra in vivo DOCT. Samma nackdelar uppstår när man använder spektrogrammetoden för att göra in vivo vävnadsstruktur och flödeshastighetsavbildning, eftersom spektraldomän OCT är begränsad till snabb avbildning. Fasupplöst Doppler OCT, baserat på uppfinningen av Fourier-Domain OCT, uppfanns för att övervinna dessa begränsningar.

Det finns två typer av Doppler OCT: Tidsdomän Doppler OCT och Fourier Domain Doppler OCT . Grundprincipen för Fasupplöst Doppler OCT använder fasändringen mellan sekventiella A-linjeskanningar för hastighetsbildrekonstruktion . Genom att använda denna princip ökar skanningshastigheten markant. Medan man frikopplar den rumsliga upplösningen och hastighetskänsligheten i flödesbilder ökar det återigen bildhastigheten. Denna förbättring visar en framträdande ökning av skanningshastigheten och känsligheten, vilket gör det möjligt att avbilda in vivo vävnadsmikrocirkulation i mänsklig hud. På grund av sin exceptionellt höga rumsliga upplösning och hastighetskänslighet har Doppler OCT sin egen position inom biomedicinsk forskning och klinisk medicin.

Principer för Doppler OKT

Optisk koherens tomogram av en fingertopp. Det är möjligt att observera svettkörtlarna som har "korkskruvens utseende"

Doppler Optical Coherence Tomography är en förlängning av OCT, där den kombinerar Dopplereffektprincipen för att uppnå högupplösta tomografiska bilder i biologiska vävnader. Och på grund av dess höga upplösning och hastighetskänslighet finns det många tillämpningar inom det medicinska området. Det grundläggande fenomenet med Doppler OCT kan förklaras nedan. Ljus emitteras från instrumentets ljuskälla och kommer in i mediet. Ljus träffar de rörliga partiklarna och sprids tillbaka från provet. Då stör ljuset ljuset i referensstrålen, vilket orsakar en dopplerfrekvensförskjutning $F_{D}}$ displaystyle i interferenskanten:

$F_{D}\left(v\right)=\left[\left({\ frac {1}{2\pi }}\right)\right]\cdot (v)(k_{o}-k_{i})\qquad \quad (1)$

där $k_{i}$ och $k_{o}$ är vågvektorer av infallande och utspritt ljus, och v är hastigheten för den rörliga partikel som instrumentet detekterar. Doppler OCT mäter ljuset som sprids tillbaka från provmediet. Att definiera vinkeln mellan partikelflödet och den infallande ljusstrålen är θ, dopplerskiftet förenklas sedan till

$F_{D}\left(\theta \right)=\left[\left({\frac {2Vcos\theta } {\lambda }}\right)\right]\qquad \quad (2)$

där $\lambda _{0}$ är ljuskällans våglängd .

Instrumenteringssystemet för Doppler OCT är en förlängning av systemet för OCT. Den använder också en fiberoptisk Michelson-interferometer med ett bredbandsljus som källa. Den största skillnaden är vad som händer i signalbehandlingen. Efter ljuset som sänds ut från bredbandsljuskällan går ljuset genom en 2,2- fiberkopplare , som delar upp ljuset lika och separat i referens- och sampelarmarna. Ljuset som går genom provarmarna kommer in i provmediet och sprids tillbaka. Samtidigt reflekteras ljuset i referensarmen tillbaka från spegeln och kopplas ihop med ljuset i provarmen. Den spektrala domänens randsignal, $P_{ODT}$ ges av

${ \displaystyle P_{ODT}\left(\nu \right)=2S_{0}\left(\nu \right)K_{r}\left(\nu \right)K_{s}\left(\nu \right )cos[2\pi \nu \ ((\Delta +2nV_{z}t)/c+\tau )]\qquad \quad (3)}$

Motsvarande tidsdomänsignal, $T_{ODT}$ , ges av

$T_{ODT}\left(\tau \right)=2\int S_{0}\left(\nu \right)K_{r}\left(\nu \right)K_{s} \left(\nu \right)cos[2\pi \nu \ ((\Delta +2nV_{z}t)/c+\tau )]\,d\nu .\qquad \quad (4)$

Fouriertransformationsrelationer mellan tidsdomänsignalerna och spektrala domänsignaler visas i ekvationerna ovan, vilka motsvarar de två typerna av OCT. Som ett resultat kan både tidsdomänmetoden och Fourierdomänmetoden uppnå höga upplösningar.

Tidsdomän Doppler OKT Baserat på spektrogrammetod

Tidsdomän Doppler OCT använder spektrogrammetoden för att skapa bilden. När spektrumet förändras med tiden definieras det som spektrogram. Effektspektrumet representerar signaleffekten vid vissa frekvenser, som kan användas för att beräkna spektrogrammet. Den korta snabba Fourier-transformationen (STFFT) används för att beräkna effektspektrumet.

$T_{ODT}\left(\tau \right)=(STFFT(f_{m },\tau _{ODT}))^{2}\qquad \quad (5)$

där $f_{m}$ är de olika frekvenserna .

Vätskeflödeshastigheten kan beräknas som:

$V_{ODT}\left(i\right)= {\frac {\lambda _{0}f_{D}}{2ncos\theta }}={\frac {\lambda _{0}(f_{c}-f_{o})}{2ncos\theta }} \qquad \quad (6)$

där $f_{D}$ är dopplerfrekvensskiftet, $f_{0}$ är bärvågsfrekvensen , $f_{c}$ är tyngdpunktsfrekvensen och θ är vinkeln mellan ki och v.

När det gäller höghastighetsavbildning är hastighetskänsligheten otillfredsställd på grund av många faktorer. När hastighetsupplösningen ökas, minskar bildhastigheten och den rumsliga upplösningen. Som ett resultat kan spektrogrammetoden inte tillfredsställa både hög avbildningshastighet och hög hastighetskänslighet.

Fasupplöst Doppler OCT-metod

I varje skanning skulle fasen vara annorlunda. Fasupplöst Doppler OCT använder denna fasförändring för att utveckla flödeshastighetsbilder, som kan erhålla både hög bildhastighet, hög hastighetskänslighet och hög rumslig upplösning. Genom att beräkna fasändringen kan dopplerfrekvensförskjutningen $f_{n}$ bestämmas:

$f_{n}={\frac {\Delta \Phi }{2\pi T}}\qquad \quad (7)$

Standardavvikelsen för Dopplerspektrumet är som följer :

$\sigma ^{2}={\frac {\int (f- f_{D})^{2}(P\left(f\right))df}{\int (P\left(f\right))df}}\qquad \quad (8)$

där P(f) är Dopplereffektspektrumet och $\displaystyle f_{D}}$ är tyngdpunktsvärdet för Dopplerfrekvensskiftet.

Ändring av flödeshastighet påverkar värdet på standardavvikelsen . När skillnaden i flödeshastighet blir större blir dopplerfrekvensspektrumet bredare. Som ett resultat blir standardavvikelsen större.

Fourier-domän fasupplöst doppler OCT-metod

Fourierdomän OCT mäter interferensfransar i den spektrala domänen. Det finns två metoder: ett spektrometerbaserat system och ett sveplaserbaserat system för att erhålla hög hastighetskänslighet, hög bildhastighet och olika hastighetsintervall