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Princípios de Tomografia por Coerência Óptica (OCT)

Princípios de Tomografia por Coerência Óptica (OCT) · OCT no diagnóstico não invasivo • Oftalmologia – Diagnóstico de doenças da retina. • Dermatologia – Doenças

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Page 1: Princípios de Tomografia por Coerência Óptica (OCT) · OCT no diagnóstico não invasivo • Oftalmologia – Diagnóstico de doenças da retina. • Dermatologia – Doenças

Princípios de Tomografia por

Coerência Óptica (OCT)

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OCT no diagnóstico não

invasivo• Oftalmologia

– Diagnóstico de doenças da retina.

• Dermatologia– Doenças da pele,

– Estágios iniciais de câncer de pele.

• Doenças Cardiovasculares– Detecção de placas

vulneráveis.

• Endoscopia (fiber-optic devices)– gastroenterologia

– ginecologia

• Embriologia

• Imagens funcionais– Doppler OCT (blood flow)

– Espectroscopia OCT (absorption, high speed)

– Propriedades ópticas

• Cirurgia guiada

– Procedimentos delicados

• Ciurugia do cérebro,

• Cirurugia de articulações

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Log ReflectionLog Reflection

250 µm250 µm

250 µm250 µm

FoveaOptic Disc

Choriocapillaris

Vitreous NFL

Photoreceptors

e

om

sm

fatepiglottis

1 mm proximaldista

l

Imagem em OCT

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Primeira demonstração de OCT (1991)

David Huang, et al,

Science 254, 1178

(1991)

Retina humana

ex vivo e histologia

correspondente

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História do OCT

80´s TELECOM, medidas em redes de fibra óptica

1990 Medidas em tecidos (MIT)

1991 Demonstração do OCT in vitro

1993 Primeiras imagens in vivo da retina

1997 Endoscopia OCT

1998 Imagens celulares

1999 OCT de alta resolução

2001 Intravascular OCT (IVOCT)

2003 OCT espectral

2005 OCT Volumétrico (GPUs)

2010 Rápida comercialização

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Optical Coherence Tomography (OCT)

Imagem usando “ecos” de luz

Intervalo de tempo

entre os pulsosLuz incidente

Tecido / espécime

Intervalo de tempo =

Distância x Velocidade

A tomografia

óptica é similar ao

ultra-som do modo

B, utilizando ondas

de luz ao invés de

ondas sonoras.

Método de diagnóstico por

imagem, capaz de observar a

microestrutura interna dos

tecidos biológicos.

Baseado na interferometria de

baixa coerência para medir o

atraso entre os “ecos” (pulsos)

de luz.

A capacidade da OCT de

gerar imagem de tecidos

moles e duros sem haver

dano ao paciente, a torna de

grande interesse para essa

área.

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OCT: Princípio de operação

OCT é análoga à imagem em ultrassom

Utiliza luz infravermelho ao invés de som

Interferometria é

utilizada para

medir pequenos

atrasos devido ao

espalhamento de

fótons

Pele humana

5 mm wide x 1.6 mm deep

Resolução espacial: 10-30 μm

(~ 100 pixels/mm)

Resolução temporal: 30fs!!!

Vel. do som ~ 1,48X103 m/seg (na água)

Vel. da luz ~ 3x108 m/seg

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• Um interferômetro funciona pelo princípio no qual duas ondas que coincidam

com a mesma fase irão ser amplificadas e se elas estiverem com fases

opostas (90º de diferença) irão ser canceladas.

• 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, ...

Interferometria

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Princípio da Interferometria

• Interferometria é a técnica de sobrepor 2 ou mais formas de onda para detectar diferenças entre elas.

• Duas ondas com a mesma frequência e mesma fase serão somadas (construtivas), enquanto duas ondas com fases diferentes serão subtraídas (destrutivas).

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• Luz de uma fonte é direcionada para um espelho parcialmente reflexivo e é dividida em um feixe de referência e um feixe de medida.

• A luz é refletida da amostra com diferentes atrasos devido à microestrutura interna da amostra.

Princípio da Interferometria

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• A luz no feixe de referência é refletida a partir do espelho de referência, que tem a sua posição variável, produzindo atrasos varáveis no tempo.

• A luz refletida da amostra, consistindo de múltiplos “ecos” e a luz do espelho de referência, consistindo de um único “eco” com atraso conhecido são combinadas.

Princípio da Interferometria

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Ultrasound

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Interferometria e OCT

OCT utiliza um interferômetro para detectar os

atrasos entre sinais de luz

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A intensidade dos

padrões de interferência

mede a refletividade

através do tecido.

Interferometria e OCT

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Geração da imagem

Varredura transversal

Luz retroespalhada

AmostraVarr

edura

axia

l

(Pro

fundid

ade)

PRIORIDADE NA DIREÇÃO

AXIAL

Feixe

incidente

Transversal

x

y

zAxial

(Profundidade)

PRIORIDADE NA DIREÇÃO

TRANSVERSAL

Feixe

incidente

Transversal

x

y

zAxial

(Profundidade)

EN FACE

Feixe

incidente

Transversal

x

y

zAxial

(Profundidade)

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A-SCAN, B-SCAN, 3D-SCAN

A-scan

B-scan

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Comparada a outras técnicas para a geração de

imagens na medicina

RE

SO

LU

ÇÃ

O [

log

]

PROFUNDIDADE DA IMAGEM [log]

1 mm

100 m

10 m

1 m

Padrões

Clínicos

ULTRA-SOM

Alta

Freqüência

TOMOGRAFIA POR

COERÊNCIA ÓPTICA

MICROSCOPIA

CONFOCAL

100 mm 1 mm 1 cm 10 cm

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Óptica em Medicina

1 cm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm

Radio nucleotide

DOT

PET

Low resolution

MRI

CT

US

Organ Level

HFUS

MRI

X-Ray, CT

Diagnostic capability

Organ Level

Tumor Staging

LIGHT, e.g.,

Microscopy

OCT

Architectural, Cellular,

Optical Biopsy

Radiology Pathology

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Largura de Banda – Resolução Axial

Dz… Comprimento de

coerência

o… Comprimento de

onda central

D… Largura de banda

à meia altura

(FWHM)

Assumindo:

Espectro Gaussiano, meio não dispesivo

DD

2

02ln2z

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Fonte de luz x Resolução do OCT

Ti:Sapphire

260 nm

SLD

32 nm

Po

wer

Sp

ectr

al D

en

sit

y (

a.u

.)

Wavelength (nm)

650 700 750 800 850 900 950 1000

11.5 µm

1.5 µm

Delay (µm)

-12 +12-4 -8-8 -4 0

Inte

nsit

y (

a.u

.)

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)2(cos2 2121 IIIII

variando variando

Time domain

Optical Coherence

Tomography:

Spectral/Fourier domain

Optical Coherence

Tomography:

– atraso no caminho óptico

- freqüência óptica

Como funciona?

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Interferometria de baixa coerência

OCT – domínio do tempoλ2

DL

λ2

Dz

DL

Referência

(móvel)

AmostraFonte

Luminosa

Detector

Divisor de

Feixes

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

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DemoduladorFiltro

passa-banda

Detector

Fonte de Luz de

Baixa Coerência

Amostra

1 23

Circulador

50/50

Sonda OCT

Linha de atraso

de alta velocidade

90/10

Feixe guia

+ _Controle de

Polarização

Computador

• Galvanômetro com braço e

espelho de canto de cubo;

• Roda dentada;

• Fast Fourier Scanning;

• …

Sistema para fazer imagens com OCT

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Interferometria no domínio Fourier/Espectral

c/2DL

Fonte com

Banda larga

Divisor

De feixes

Espectrômetro

frequência

DL

Espectro da Interferência

Transformada de Fourier

frequência ~ distância

Referência

(parada)

Amostra

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c/2DL

Fonte com

Banda larga

Divisor

De feixes

Espectrômetro

frequência

DL

Espectro da Interferência

Transformada de Fourier

frequência ~ distância

Referência

(parada)

Amostra

Interferometria no domínio Fourier/Espectral

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c/2DL

Fonte com

Banda larga

Divisor

De feixes

Espectrômetro

frequência

DL

Espectro da Interferência

Transformada de Fourier

frequência ~ distância

Referência

(parada)

Amostra

Interferometria no domínio Fourier/Espectral

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Princípio básico de funcionamento da

tomografia por coerência óptica espectral

+

+

=

Distância

Am

pli

tud

e

FFT

Fonte com

banda larga

Divisor

de

feixes

Espectrômetro

DL

Espelho de

referência fixo

Amostra

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Limite de profundidade de 1.5 mm

Variação de 14 dB em sensitividade

Resolução degrada-se de 3 µm para

4 µm

Limitações da técnica – Sensitividade e

resolução variando com a profundidade

Resolução do espectrômetro

Mapeamento não linear de

comprimento de onda para

freqüência

Tamanho dos pixels

Cross talk entre os pixels

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Geração de imagens por tomografia

por coerência óptica espectral

FS

Espelho de

referência

fixo

BK7

Fonte de Banda

Larga

(Laser/SLDs)

Sistema de varredura

Varredura

Transversal

Filtro

Computador

Espectrômetro +

Câmera CCD

Amostra

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250 µm

fovea optic disc

OCT: Imagem OftalmológicaCâmara Anterior

Retina

cornea

irislens

sclera

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250 µm

250 µm

temporal nasal

10 µm resolução axial

3 µm resolução axial

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

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Imagens de alta definição

GCLIPLINLOPLONLELM

IS/OS

RPE/Choroid

NFL

2048 x 1024 pixel

0.13 sec

600 x 1024 pixel

4 sec

High speed UHR-OCT

UHR-OCT

Temporal Nasal

ILM

GCLIPLINLOPLONLELMIS/OS

RPE/Choroid

NFL

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Qualidade da imagem

ELM

ONL

INL

IPL

OPL

IS/OS

RPE

NFL

ILM

ELM

Plexiforme Interna

Camada Nuclear Interna

Plexiforme Externa

Camada Nuclear Externa

Cones e Bastonetes

Epitélio pigmentado

Coróide

Esclera

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Aplicações diversas

• TCO em oftalmologia

• TCO em dermatologia

• Outras aplicações médicas

• Biópsia óptica

• TCO em odontologia

• Outras aplicações

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Imagens de tomografia por coerência

óptica espectral em pequenos animais

FS

Espelho de

referência

fixo

BK7

Fonte de

Banda Larga

(Laser/SLDs) Filtro

Sistema de

varredura

Varredura

TransversalEspectrômetro

+ Câmera CCD

computador

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Esmalte Dentina

Câmara

pulpar 100 μm

Odontologia

Amostra

Linha de atraso rápida de

Fourier

detector

Laser em

830 nm

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Dentina

Câmara

Pulpar

100 µm

Dentina

Câmara

Pulpar 100 µm

DentinaEsmalte

100 µm

canal

radicular

400 μm acima do

canal radicular

Coroa

Esmalte

Esmalte

Resultados

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Imagem longitudinal do embrião do

peixe zebra em desenvolvimento

Zygote Cleavage 16 cell High

Shield 10-somite Prim5 Prim5

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1 x 3 µm (long. x trans.)

0.75 x 0.5 mm

1700 x 1000 pixels

Resolução sub-celular do OCT In vivo

Girino do

Xenopus laevis

(Rã Africana)

100µm

W. Drexler, et al.

Opt. Lett. (1999)

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EsôfagoEstômago

Intestinodelgado

Cólon

Reto

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

OCT Endoscópico

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Oftalmologia

Normal patient

Patient with impaired vision (20/80):

The cause is a macular hole

Patient’s other eye (vision 20/25):

Impending macular hole, which can

be treated

http://rleweb.mit.edu/Publications/currents/cur11-2/11-2oct.htm

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Ultra-high resolution OCT

Image through the skin of a living frog tadpole

Resolution: 3 m

http://rleweb.mit.edu/Publications/currents/cur11-2/11-2oct.htm

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m

m

Ultra-high-resolution-OCT

versus commercial OCT

W. Drexler et al., “Ultrahigh-resolution ophthalmic optical coherence

tomography”, Nature Medicine 7, 502-507 (2001)

Page 47: Princípios de Tomografia por Coerência Óptica (OCT) · OCT no diagnóstico não invasivo • Oftalmologia – Diagnóstico de doenças da retina. • Dermatologia – Doenças

OCT endoscópico comercial

Imagens endoscópicas e

broncoscópicas – parceria com

Pentax

Imagem intravascular

Empresa adquirida pela

Goodman, Ltd.

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Artéria humana In vivo

Prof. E. Grube - Siegburg Heart Center

LightLab Imaging 0.014” ImageWire

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catheter on penny

HousingBeam

A sonda é introduzida pela

porta de biopsia através de

um endoscópio padrão.

Imagem de OCT Endoscópica

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Esôfago normal e pré-cancerígeno

Endoscopy Biopsy Histology

250 µm

Barrett’s

Epithelium

500 µm

OCT 500 m

c

g

OCT

Catheter

Catheter Sheath

OCT 500 m

eplp

mmsm

mp

Normal Barrett’s

Endoscopy Biopsy Histology

ep: epithelium lp: lamina propria

mm: muscularis mucosa sm: submucosa

mp: muscularis propria

c: crypts g: glands

Li, et al, Endoscopy 32, (2000)

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Câncer de cólon Ex vivo

500 μm

Normal Colon

500 μm

Ulcerative Colitis

500 μm

Adenocarcinomam

mm

u

v

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

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OCT em Broncoscopia

E

SM

C

(epithelium E, submucosa SM, cartilage C)

Normal bronchusEdema Carcinoma

N. Gladkova, et al, Nishny Novgorod Group

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Análise de restaurações dentárias

Amostra

Detector

Laser

Espelho de

referência

Sistema de

detecção

Fonte

Espelho móvel de

referência

Acoplador

50/50

100 μm

Fenda

150 μm

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Fenda

Análise de restaurações dentárias

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

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

120um

Fenda Superfície

ar / esmalte

Inte

nsid

ade

(ua)

Profundidade (mm)

Fenda

120μm

Superfície

Ar / Esmalte

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Pontos importantes

• 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

https://www.youtube.com/watch?v=J014Q5z7rJg

https://www.youtube.com/watch?v=HJnNJIUPm4s

https://www.youtube.com/watch?v=VyePASErr5Q