КРОСС-ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ ДЛЯ ЭНДОСКОПИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, В.Н. Ромашов, С.Ю. Ксенофонтов Институт прикладной физики РАН Нижний Новгород, Россия

Краткое содержание Оптическая когерентная томография (ОКТ) Мотивация разработки методов поляризационно- чувствительной и кроссполяризационной ОКТ (ПЧ ОКТ и КП ОКТ) Оптические схемы ПЧ ОКТ и КП ОКТ Примеры КП ОКТ- изображений в схеме на изотропном волокне Возможности кросс-поляризационной ОКТ Выводы

Оптическая диагностика биоткани в ближнем ИК-диапазоне В связи с созданием фемтосекундных лазеров и широкополосных суперлюминесцентных источников в ближнем ИК диапазоне возник интерес к применению метода низкокогерентной интерферометрии для оптической диагностики биоткани ИК-диапазон мкм Толщина среды D = 2 мм Коэффициент рассеяния в среде s = 4 мм -1 Коэффициент затухания в среде a = 0.01 мм -1 Зондирующее ИК излучение Баллистические фотоны Диффузный свет Методом оптической когерентной томографии (ОКТ) получается изображения картины рассеяния на оптических неоднородностях с пространственным разрешением мкм за счет приема рассеянных назад баллистических фотонов

Схема метода низкокогерентной интерферометрии Результат интерференции при отражении от зеркала L f=2v/ Swanson E.A., Izatt J.A. et al, Optics Letters, 18, 1864 (1993) Фотоприемник Источник излучения Сканирующее зеркало Выходной объектив и сканирующая система система X, Y Исследуемый объект Z Глубина Y L L

Реализация метода ОКТ для эндоскопической диагностики Томограммы здорового пищевода (1) и карциномы пищевода (2) Контроль качества реконструкции зуба Мини-зонд, введенный в биопсийный канал при фиброгастродуоденоскопии и в дополнительный троакар при лапароскопии 2.7 мм 1. Геликонов В.М., Геликонов Г.В. И др., Письма в ЖЭТФ, 61,149 (1995) 2. Sergeev A.M., Gelikonov V.M et al., Optics Express, 1, 432 (1997)

Высокий уровень (до 56 %) ложно-отрицательных результатов биопсии (Baumgartner R, 2000, Swinn M.J., 2004 ) Главная причина высокого процента рецидива опухоли (до 78%) неадекватно удаленный рак (Kurth K.H. 2000; Gonzalez DI, 2001, Bissett I.P., 2001 ; Wolfsen H.C., 2004 ) Диагностическая точность визуально установленной границы рака около 25% (Shami VM, 2002) ОКТ является многообещающим методом для: наведения биопсии и мониторинга лечения ОКТ имеет высокий диагностический уровень (81-95%) при обнаружении опухолей (Dolin L.S., 2004) Мотивация применения ОКТ

Некоторые структурные компоненты биоткани имеют свойство изменять поляризационное состояние зондирующего излучения. Это свойство может быть использовано для повышения специфичности ОКТ-изображений. злокачественноедоброкачественное Папилломатоз гортаниРак гортаниХронический ларингит доброкачественное Мотивация разработки поляризационных методов Традиционный ОКТ, однако, дает похожие изображения слизистой при воспалениях, раке и папиломатозе

Поляризация света, рассеянного назад биотканью, может изменяться: - из-за рассеяния на мелкомасштабных анизотропных структурах, что при низкой когерентности приводит к деполяризации, - из-за регулярного двулучепреломления среды Кроссполяризация При рассеянии точно назад свет может иметь поляризацию, не совпадающую с исходной, при наличии анизотропии оптических неоднородностей В методе кросс-поляризационной ОКТ (КП ОКТ) одновременно получаются изображения локально-рассеяных волн с исходной (ко-) и ортогональной (кросс-) поляризацией и производится их сравнение Двулучепреломление изображения слизистой рта Исходная поляризация Ортогональная поляризация Ортогональная поляризация изображения сухожилия цыпленка Ориентированные линейные структуры биоткани создают регулярное двулучепреломление В методе поляризационно-чувствительной ОКТ (ПЧ ОКТ) строятся изображения распределенной картины двулучепреломления в биоткани в исходной и ортогональной поляризации Schmitt J.M., Xiang S.H. Optics Letters (1998) Feldchtein F.I. et al. Optics Express (1998) De Boer J., et al. IEEE J. of Selected Topics in Quant. Electron. (1999) Roth J.E. et al. Optics Letters (2001) Исходная поляризация

Реализация КП ОКТ метода в схеме на анизотропном волокне Оптическая схема основана на интерферометре Майкельсона. Зондирующее излучение линейно поляризовано. Для этого возбуждается одна из поляризационных мод волокна. Для отдельного приема рассеянных волн в исходной и ортогональной поляризациях используются обе собственные поляризационные моды анизотропного волокна. Динамический диапазон приема в обоих каналах достигает дБ благодаря слабой связи поляризационных мод. Kuranov R.V., Sapozhnikova V.V., et al. Optics Express В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов. Квантовая электроника (2008) Core Stress rod Slow Axis Fast Axis Поляризационно- удерживающее волокно типа Панда

Реализация КП ОКТ метода в схеме на изотропном волокне Схема, в которой использованы интерферометры Физо (для приема рассеянных волн) и Майкельсона (для компенсации разности хода), позволяет обеспечить взаимозаменяемость эндоскопических зондов. Зондирующая волна произвольно поляризована. Прием рассеянных волн в исходной и в ортогональной поляризации производится в одном канале с динамическим диапазоном около 40 дБ. Gelikonov V.M., Gelikonov G.V. Laser Physics Letters (2006) В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов. Квантовая электроника (2008) Поляризация волны произвольна в одномодовом волокне, однако, ортогональность двух волн при фазовых возмущениях (при изгибах, сжатиях, растяжениях) сохраняется. Core

Временные задержки опорных и рассеянных волн в методе КП ОКТ, при реализации измерительного интерферометра Физо и компенсирующего интерферометра Майкельсона одномодовом волокне Опорные волныВолны, рассеянные в исходную поляризацию Волны, рассеянные в ортогональную поляризацию

Примеры КП ОКТ - изображений в схеме на изотропном волокне Вакуумная смазка 1mm z Кожа пальца человека Сухожилие цыпленка Исходная поляризация Ортогональная поляризация Длина волны-1300nm, оптическая мощность мВт Пространственное разрешение 20 мкм Скорость получения изображения 1 кадр/с Глубина сканирования : 1 – 2 мм Взаимозаменяемые зонды Динамический диапазон сигнала ~ 40 dB

Возможности кросс-поляризационной ОКТ Сравнение ко- и кросс-поляризационного ОКТ-изображений позволяет повысить специфичность диагностики патологических изменений в ткани. Стандартные ко- поляризационные ОКТ-изображения карциномы (Рис.1a) и рубца пищевода (Рис.2a) бесструктурны и трудно различимы. Однако кросс-поляризационные изображения этих патологий (Рис.1b) и (Рис.2b) существенно отличаются. Рис.1.Рак пищеводаРис.2. Рубец пищевода На участках рака излучение деполяризуется лишь в отдельных узких областях. (Fig.1b) Это КП- изображение коррелирует с единичными вертикально- ориентированными коллагеновыми волокнами (красные структуры на Рис. 1c). Уровень рассеяния рубца пищевода на КП-изображении (Рис.2b) сравним с рассеянием в здоровой ткани. Наблюдается корреляция с хаотическими структурами коллагеновых волокон (красные структуры на Рис. 2c). R. V. Kuranov, et al. Opt. Express 10, 707 (2002). Ортогональная поляризация Исходная поляризация Гистология по Ван Гизону

Выводы Реализован КП ОКТ метод построения изображений внутренней структуры биоткани при приеме света в исходной и ортогональной поляризациях. Метод адаптирован для исследования слизистых и серозных тканей внутренних органов человека in vivo. Характер «ортогонального» ОКТ-изображения зависит от внутренней структуры биоткани и наличия (или отсутствия) злокачественных новообразований Необходимо проведение исследования характера изменений биоткани при патологии, влияющих на рассеяние в ортогональную поляризацию Дальнейшие разработки метода связаны с повышением скорости получения изображений

Благодарности Работа была частично поддержана грантами РФФИ ( , и ), а также Российским государственным контрактом от 27 апреля 2007 г.

КРОСС-ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ ДЛЯ ЭНДОСКОПИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, В.Н. Ромашов, С.Ю. Ксенофонтов Институт прикладной физики РАН Нижний Новгород, Россия