Стабилизация паттерна сканирования для задач трехмерных фазочувствительных модальностей ОКТ: ангиографии, релаксографии и мониторинга медленных процессов

П.А. Шилягин, Л.А. Матвеев, Е.Б. Киселева, A.А. Моисеев, В.Ю. Зайцев, А.А. Советский, Д.В. Шабанов, В.М. Геликонов, К.С. Яшин, К.А. Ачкасова, Н.Д. Гладкова, Г.В. Геликонов

Ключевые слова: паттерн сканирования; оптическая когерентная томография; ОКТ; ОКТ-ангиография; ОКТ-релаксография; мониторинг медленных процессов.

2019, том 11, номер 2, стр. 25.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2019.11.2.04

Полный текст статьи

html pdf

2730

2283

Новые модальности в оптической когерентной томографии (ОКТ) опираются не только на анализ усредненной амплитуды рассеяния различных слоев и участков биоткани, но и, в большей степени, на оценку изменчивости спекловой структуры (как амплитуды, так и фазы спеклов).

Цель исследования — для реализации таких модальностей ОКТ, как ангиография, релаксография и мониторинг медленных процессов, разработать метод исключения паразитных вибраций внутри сканирующей системы прибора.

Материалы и методы. Была решена задача стабилизации траектории сканирования на основе использования активной фильтрации управляющего напряжения.

Результаты. Эффективность предложенного подхода продемонстрирована как на фантомном образце, так и на примере реальных тканей при реализации сразу нескольких модальностей: визуализации экссудата in vivo; ОКТ-ангиографии для визуализации микроциркуляции головного мозга; ОКТ-релаксографии на примере картирования времени механической релаксации хрящевой ткани; увеличения поперечного разрешения ОКТ путем компенсации дефокусировки.

Заключение. Паразитные вибрации сканирующей системы маскируют собственные движения рассеивателей внутри биоткани, включая изменения и относительного положения, и смещения рассеивателей (обусловленные броуновским движением, потоками и деформацией), чем вызывают артефактные вариации спекловой структуры. Это затрудняет или делает невозможным анализ изменчивости спеклов, лежащий в основе ряда новых модальностей ОКТ. Применение стабилизации паттерна сканирования позволяет реализовать данные модальности с качеством, пригодным для практического использования.

Drexler W., Liu M., Kumar A., Kamali T., Unterhuber A., Leitgeb R.A. Optical coherence tomography today: speed, contrast, and multimodality. J Biomed Opt 2014; 19(7): 071412, https://doi.org/10.1117/1.jbo.19.7.071412.
de Boer J., Leitgeb R., Wojtkowski M. Twenty-five years of optical coherence tomography: the paradigm shift in sensitivity and speed provided by Fourier domain OCT. Biomed Opt Express 2017; 8(7): 3248–3280, https://doi.org/10.1364/boe.8.003248.
Goldman D., Waheed N.K., Duker J.S. Atlas of retinal OCT: optical coherence tomography. Elsevier; 2017; 224 p.
Kini A., Narula J., Vengrenyuk Y., Sharma S. Atlas of coronary intravascular optical coherence tomography. Springer International Publishing; 2018, https://doi.org/10.1007/978-3-319-62666-6.
Dohad S., Zhu A., Krishnan S., Wang F., Wang S., Cox J., Henry T.D. Optical coherence tomography guided carotid artery stent procedure: technique and potential applications. Catheter Cardiovasc Interv 2018; 91(3): 521–530, https://doi.org/10.1002/ccd.27344.
Sattler E., Kästle R., Welzel J. Optical coherence tomography in dermatology. J Biomed Opt 2013; 18(6): 061224, https://doi.org/10.1117/1.jbo.18.6.061224.
Olsen J., Themstrup L., Jemec G.B. Optical coherence tomography in dermatology. G Ital Dermatol Venereol 2015; 150(5): 603–615.
Chin L., Latham B., Saunders C.M., Sampson D.D., Kennedy B.F. Simplifying the assessment of human breast cancer by mapping a micro-scale heterogeneity index in optical coherence elastography. J Biophotonics 2017; 10(5): 690–700, https://doi.org/10.1002/jbio.201600092.
Gubarkova E.V., Sovetsky A.A., Zaitsev V.Y., Matveyev A.L., Vorontsov D.A., Sirotkina M.A., Matveev L.A., Plekhanov A.A., Pavlova N.P., Kuznetsov S.S., Vorontsov A.Yu., Zagaynova E.V., Gladkova N.D. OCT-elastography-based optical biopsy for breast cancer delineation and express assessment of morphological/molecular subtypes. Biomed Opt Express 2019; 10(5): 2244–2263, https://doi.org/10.1364/boe.10.002244.
van Manen L., Dijkstra J., Boccara C., Benoit E., Vahrmeijer A.L., Gora M.J., Mieog J.SD. The clinical usefulness of optical coherence tomography during cancer interventions. J Cancer Res Clin Oncol 2018; 144(10): 1967–1990, https://doi.org/10.1007/s00432-018-2690-9.
Sirotkina M.A., Matveev L.A., Shirmanova M.V., Zaitsev V.Y., Buyanova N.L., Elagin V.V., Gelikonov G.V., Kuznetsov S.S., Kiseleva E.B., Moiseev A.A., Gamayunov S.V., Zagaynova E.V., Feldchtein F.I., Vitkin A., Gladkova N.D. Photodynamic therapy monitoring with optical coherence angiography. Sci Rep 2017; 7(1): 41506, https://doi.org/10.1038/srep41506.
Chauhan B.C., Stevens K.T., Levesque J.M., Nuschke A.C., Sharpe G.P., O’Leary N., Archibald M.L., Wang X. Longitudinal in vivo imaging of retinal ganglion cells and retinal thickness changes following optic nerve injury in mice. PLoS One 2012; 7(6): e40352, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0040352.
Gupta A., Laxmi G., Nittala M.G., Raman R. Structural and functional correlates in color vision deficiency. Eye 2011; 25(7): 909–917, https://doi.org/10.1038/eye.2011.87.
Taibbi G., Peterson G.C., Syed M.F., Vizzeri G. Effect of motion artifacts and scan circle displacements on Cirrus HD-OCT retinal nerve fiber layer thickness measurements. Invest Ophthalmol Vis Sci 2014; 55(4): 2251–2258, https://doi.org/10.1167/iovs.13-13276.
Huo L., Xi J., Wu Y., Li X. Forward-viewing resonant fiber-optic scanning endoscope of appropriate scanning speed for 3D OCT imaging. Opt Express 2010; 18(14): 14375–14384, https://doi.org/10.1364/oe.18.014375.
Moon S., Lee S.W., Rubinstein M., Wong B.J., Chen Z. Semi-resonant operation of a fiber-cantilever piezotube scanner for stable optical coherence tomography endoscope imaging. Opt Express 2010; 18(20): 21183–21197, https://doi.org/10.1364/oe.18.021183.
Park H.-C., Seo Y.-H., Jeong K.-H. Lissajous fiber scanning for forward viewing optical endomicroscopy using asymmetric stiffness modulation. Opt Express 2014; 22(5): 5818–5825, https://doi.org/10.1364/oe.22.005818.
Bezerra H.G., Costa M.A., Guagliumi G., Rollins A.M., Simon D.I. Intracoronary optical coherence tomography: a comprehensive review clinical and research applications. JACC Cardiovasc Interv 2009; 2(11): 1035–1046, https://doi.org/10.1016/j.jcin.2009.06.019.
Gelikonov V.M., Romashov V.N., Shabanov D.V., Ksenofontov S.Y., Terpelov D.A., Shilyagin P.A., Gelikonov G.V., Vitkin I.A. Cross-polarization optical coherence tomography with active maintenance of the circular polarization of a sounding wave in a common path system. Radiophys Quantum El 2018; 60(11): 897–911, https://doi.org/10.1007/s11141-018-9856-9.
Matveyev A.L., Matveev L.A., Sovetsky A.A., Gelikonov G.V., Moiseev A.A., Zaitsev V.Y. Vector method for strain estimation in phase-sensitive optical coherence elastography. Laser Phys Lett 2018; 15(6): 065603, https://doi.org/10.1088/1612-202x/aab5e9.
Moiseev A., Ksenofontov S., Sirotkina M., Kiseleva E., Gorozhantseva M., Shakhova N., Matveev L., Zaitsev V., Matveyev A., Zagaynova E., Gelikonov V., Gladkova N., Vitkin A., Gelikonov G. Optical coherence tomography-based angiography device with real-time angiography B-scans visualization and hand-held probe for everyday clinical use. J Biophotonics 2018; 11(10): e201700292, https://doi.org/10.1002/jbio.201700292.
Shilyagin P.A., Novozhilov A.A., Abubakirov T.E., Gelikonova V.G., Terpelov D.A., Matkivsky V.A., Gelikonov G.V., Shakhov A.V., Gelikonov V.M. Time domain optical coherence tomography is a useful tool for diagnosing otitis media with effusion. Laser Phys Lett 2018; 15(9): 096201, https://doi.org/10.1088/1612-202x/aacb4c.
Monroy G.L., Pande P., Shelton R.L., Nolan R.M., Spillman D.R. Jr., Porter R.G., Novak M.A., Boppart S.A. Non-invasive optical assessment of viscosity of middle ear effusions in otitis media. J Biophotonics 2017; 10(3): 394–403, https://doi.org/10.1002/jbio.201500313.
Mariampillai A., Standish B.A., Moriyama E.H., Khurana M., Munce N.R., Leung M.K., Jiang J., Cable A., Wilson B.C., Vitkin I.A., Yang V.X. Speckle variance detection of microvasculature using swept-source optical coherence tomography. Opt Lett 2008; 33(13): 1530–1532, https://doi.org/10.1364/ol.33.001530.
Mahmud M.S., Cadotte D.W., Vuong B., Sun C., Luk T.W., Mariampillai A., Yang V.X. Review of speckle and phase variance optical coherence tomography to visualize microvascular networks. J Biomed Opt 2013; 18(5): 050901, https://doi.org/10.1117/1.jbo.18.5.050901.
Baran U., Wang R.K. Review of optical coherence tomography based angiography in neuroscience. Neurophotonics 2016; 3(1): 010902, https://doi.org/10.1117/1.nph.3.1.010902.
Choi W.J., Li Y., Qin W., Wang R.K. Cerebral capillary velocimetry based on temporal OCT speckle contrast. Biomed Opt Express 2016; 7(12): 4859–4873, https://doi.org/10.1364/boe.7.004859.
Vakoc B.J., Lanning R.M., Tyrrell J.A., Padera T.P., Bartlett L.A., Stylianopoulos T., Munn L.L., Tearney G.J., Fukumura D., Jain R.K., Bouma B.E. Three-dimensional microscopy of the tumor microenvironment in vivo using optical frequency domain imaging. Nat Med 2009; 15(10): 1219–1223, https://doi.org/10.1038/nm.1971.
Yashin K.S., Kiseleva E.B., Gubarkova E.V., Matveev L.A., Karabut M.M., Elagin V.V., Sirotkina M.A., Medyanik I.A., Kravets L.Ya., Gladkova N.D. Multimodal optical coherence tomography for in vivo imaging of brain tissue structure and microvascular network at glioblastoma. In: Clinical and translational neurophotonics. Edited by Madsen S.J., Yang V.X.D. SPIE; 2017, https://doi.org/10.1117/12.2252286.
Matveev L.A., Zaitsev V.Y., Gelikonov G.V., Matveyev A.L., Moiseev A.A., Ksenofontov S.Y., Gelikonov V.M., Sirotkina M.A., Gladkova N.D., Demidov V., Vitkin A. Hybrid M-mode-like OCT imaging of three-dimensional microvasculature in vivo using reference-free processing of complex valued B-scans. Opt Lett 2015; 40(7): 1472–1475, https://doi.org/10.1364/ol.40.001472.
Matveev L.A., Karashtin D.A., Sovetsky A.A., Gubarkova E.V., Sirotkina M.A., Matveyev A.L., Shabanov D.V., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Druzhkova I.N., Gladkova N.D., Vitkin A., Zagaynova E.V., Zaitsev V.Y. Quasistatic in-depth local strain relaxation/creep rate mapping using phase-sensitive optical coherence tomography. In: Optical coherence imaging techniques and imaging in scattering media II. Edited by Boppart S.A., Wojtkowski M., Oh W.-Y. SPIE; 2017, https://doi.org/10.1117/12.2284467.
Zaitsev V.Y., Matveyev A.L., Matveev L.A., Gelikonov G.V., Gubarkova E.V., Gladkova N.D., Vitkin A. Hybrid method of strain estimation in optical coherence elastography using combined sub-wavelength phase measurements and supra-pixel displacement tracking. J Biophotonics 2016; 9(5): 499–509, https://doi.org/10.1002/jbio.201500203
Zaitsev V.Y., Matveyev A.L., Matveev L.A., Gelikonov G.V., Sovetsky A.A., Vitkin A. Optimized phase gradient measurements and phase-amplitude interplay in optical coherence elastography. J Biomed Opt 2016; 21(11): 116005, https://doi.org/10.1117/1.jbo.21.11.116005.
Matveyev A.L., Matveev L.A., Sovetsky A.A., Gelikonov G.V., Moiseev A.A., Zaitsev V.Y. Vector method for strain estimation in phase-sensitive optical coherence elastography. Laser Phys Lett 2018; 15(6): 065603, https://doi.org/10.1088/1612-202x/aab5e9.
Sovetsky A.A., Matveyev A.L., Matveev L.A., Shabanov D.V., Zaitsev V.Y. Manually-operated compressional optical coherence elastography with effective aperiodic averaging: demonstrations for corneal and cartilaginous tissues. Laser Phys Lett 2018; 15(8): 085602, https://doi.org/10.1088/1612-202x/aac879.
Ralston T.S., Marks D.L., Carney P.S., Boppart S.A. Inverse scattering for optical coherence tomography. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 2006; 23(5): 1027–1037, https://doi.org/10.1364/fio.2006.fmi3.
Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Ksenofontov S.Y., Shilyagin P.A., Terpelov D.A., Kasatkina I.V., Karashtin D.A., Sovetsky A.A., Gelikonov V.M. Digital refocusing in optical coherence tomography using finite impulse response filters. Laser Phys Lett 2018; 15(9): 095601, https://doi.org/10.1088/1612-202x/aaca60.
Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Terpelov D.A., Shilyagin P.A., Gelikonov V.M. Digital refocusing for transverse resolution improvement in optical coherence tomography. Laser Phys Lett 2012; 9(11): 826–832, https://doi.org/10.7452/lapl.201210102.
Rajadhyaksha M., Marghoob A., Rossi A., Halpern A.C., Nehal K.S. Reflectance confocal microscopy of skin in vivo: from bench to bedside. Lasers Surg Med 2017; 49(1): 7–19, https://doi.org/10.1002/lsm.22600.

Shilyagin P.A., Matveev L.A., Kiseleva E.B., Moiseev A.А., Zaitsev V.Y., Sovietsky А.А., Shabanov D.V., Gelikonov V.M., Yashin K.S., Achkasova K.A., Gladkova N.D., Gelikonov G.V. Stabilization of the Scanning Pattern for Three-Dimensional Phase-Sensitive OCT Modalities: Angiography, Relaxography, and Monitoring of Slow Processes. Sovremennye tehnologii v medicine 2019; 11(2): 25, https://doi.org/10.17691/stm2019.11.2.04