Принцип метода ОКТ заключается в том, что световая волна направляется в ткани, где распространяется и отражается или рассеивается от внутренних слоев, которые имеют различные свойства. Получаемые томографические образы – это, по сути, зависимость интенсивности рассеянного или отраженного от структур внутри тканей сигнала от расстояния до них. Процесс построения изображений можно рассматривать следующим образом: на ткань направляется сигнал от источника, и последовательно измеряется интенсивность возвращающегося сигнала через определенные промежутки времени. Так как скорость распространения сигнала известна, то по этому показателю и времени его прохождения определяется расстояние. Таким образом, получается одномерная томограмма (А-скан). Если последовательно смещаться по одной из оси (вертикальной, горизонтальной, косой) и повторять предыдущие измерения, то можно получить двухмерную томограмму. Если последовательно смещаться еще по одной оси, то можно получить набор таких срезов, или объемную томограмму [10]. В ОКТ-системах применяется интерферометрия слабой когерентности. Интерферометрические методы позволяют значительно повысить чувствительность, т. к. с их помощью измеряется амплитуда отраженного сигнала, а не его интенсивность. Основными количественными характеристиками ОКТ-приборов являются осевое (глубинное, аксиальное, вдоль А-сканов) и поперечное (между А-сканами) разрешение, а также скорость сканирования (число А-сканов за 1 с).
В первых ОКТ-приборах использовался последовательный (временной) метод построения изображения (time-domain optical coherence tomography, TD-OC) (табл. 1). В основе этого метода лежит принцип работы интерферометра, предложенный А.А. Михельсоном (1852–1931 гг.). Луч света низкой когерентности от суперлюминесцентного светодиода разделяется на 2 пучка, один из которых отражается исследуемым объектом (глазом), в то время как другой проходит по референтному (сравнительному) пути внутри прибора и отражается специальным зеркалом, положение которого регулируется исследователем. При равенстве длины луча, отраженного от исследуемой ткани, и луча от зеркала возникает явление интерференции, регистрируемое светодиодом. Каждая точка измерения соответствует одному А-скану. Получаемые одиночные А-сканы суммируются, в результате чего формируется двухмерное изображение. Осевое разрешение коммерческих приборов первого поколения (TD-OCT) составляет 8–10 мкм при скорости сканирования 400 А-сканов/с. К сожалению, наличие подвижного зеркала увеличивает время исследования и снижает разрешающую способность прибора. Кроме этого, движения глаз, неизбежно возникающие при данной длительности сканирования, или плохая фиксация во время исследования приводят к формированию артефактов, которые требуют цифровой обработки и могут скрывать важные патологические особенности в тканях.
В 2001 г. была представлена новая технология – ОКТ сверхвысокого разрешения (Ultrahigh-resolution OCT, UHR-OCT), с помощью которой стало возможно получать изображения роговицы и сетчатки с осевым разрешением 2–3 мкм [12]. В качестве источника света использовался фемтосекундный титан-сапфировый лазер (Ti:Al2O3 laser). По сравнению со стандартным разрешением, составляющим 8–10 мкм, ОКТ высокого разрешения стала давать более качественную визуализацию слоев сетчатки in vivo. Новая технология позволяла дифференцировать границы между внутренними и наружными слоями фоторецепторов, а также наружную пограничную мембрану [13, 14]. Несмотря на улучшение разрешающей способности, применение UHR-OCT требовало дорогостоящего и специализированного лазерного оснащения, что не позволяло использовать его в широкой клинической практике [15].
С внедрением спектральных интерферометров, использующих преобразование Фурье (Spectral domain, SD; Fouirier domain, FD), технологический процесс приобрел ряд преимуществ по сравнению с использованием традиционных временных ОКТ (табл. 1). Хотя методика была известна еще с 1995 г., она не применялась для получения изображений сетчатки почти до начала 2000-х гг. Это связано с появлением в 2003 г. высокоскоростных камер (charge-coupled device, ССD) [16, 17]. Источником света в SD-OCT является широкополосный суперлюминесцентный диод, позволяющий получить низкокогерентный луч, содержащий несколько длин волн. Как и в традиционной, в спектральной ОКТ луч света разделяется на 2 пучка, один из которых отражается от исследуемого объекта (глаза), а второй – от фиксированного зеркала. На выходе интерферометра свет пространственно разлагается по спектру, и весь спектр регистрируется высокоскоростной CCD-камерой. Затем с помощью математического преобразования Фурье происходят обработка спектра интерференции и формирование линейного А-скана. В отличие от традиционной ОКТ, где линейный А-скан получается за счет последовательного измерения отражающих свойств каждой отдельной точки, в спектральной ОКТ линейный А-скан формируется за счет одномоментного измерения лучей, отраженных от каждой отдельной точки [17, 19]. Осевое разрешение современных спектральных ОКТ-приборов достигает 3–7 мкм, а скорость сканирования – более 40 тыс. А-сканов/с. Безусловно, основным преимуществом SD-OCT является его высокая скорость сканирования. Во-первых, она позволяет значительно улучшить качество получаемых изображений путем уменьшения артефактов, возникающих при движениях глаз во время исследования. К слову, стандартный линейный профиль (1024 А-сканов) можно получить в среднем всего за 0,04 с. За это время глазное яблоко совершает только микросаккадные движения с амплитудой в несколько угловых секунд, не влияющих на процесс исследования [19]. Во-вторых, стала возможна 3D-реконструкция изображения, позволяющая оценить профиль исследуемой структуры и ее топографию. Получение множества изображений одновременно при спектральной ОКТ дало возможность диагностики небольших по размерам патологических очагов. Так, при TD-OCT макула отображается по данным 6 радиальных сканов в противовес 128–200 сканам аналогичной области при выполнении SD-OCT [20]. Благодаря высокому разрешению можно четко визуализировать слои сетчатки и внутренние слои сосудистой оболочки. Итогом выполнения стандартного исследования SD-OCT является протокол, представляющий полученные результаты как графически, так и в абсолютных значениях. Первый коммерческий спектральный оптический когерентный томограф был разработан в 2006 г., им стал RTVue 100 (Optovue, США).
В настоящее время некоторые спектральные томографы обладают дополнительными протоколами сканирования, к которым относятся: модуль анализа пигментного эпителия, лазерный сканирующий ангиограф, модуль увеличенной глубины изображения (Enhanced depth imagine, EDI-OCT), глаукомный модуль (табл. 2).
Предпосылкой для разработки модуля увеличенной глубины изображения (EDI-OCT) было ограничение визуализации сосудистой оболочки с помощью спектральной ОКТ за счет поглощения света пигментным эпителием сетчатки и рассеивания его структурами хориоидеи [21]. Ряд авторов использовали спектрометр с длиной волны 1050 нм, с помощью которого удалось качественно визуализировать и провести количественную оценку собственно сосудистой оболочки [22]. В 2008 г. был описан способ получения изображения сосудистой оболочки, который был реализован путем размещения SD-OCТ прибора достаточно близко к глазу, в результате чего стало возможным получение четкого изображение хориоидеи, толщину которой также можно было измерить (табл. 1) [23, 24]. Принцип метода заключается в возникновении зеркальных артефактов из преобразования Фурье. При этом формируется 2 симметричных изображения – позитивное и негативное относительно нулевой линии задержки. Следует отметить, что чувствительность метода снижается с увеличением расстояния от интересующей ткани глаза до этой условной линии. Интенсивность отображения слоя пигментного эпителия сетчатки характеризует чувствительность метода – чем ближе слой к линии нулевой задержки, тем больше его рефлективность. Большинство приборов этого поколения предназначено для исследования слоев сетчатки и витреоретинального интерфейса, поэтому сетчатка расположена ближе к нулевой линии задержки, чем сосудистая оболочка. Во время обработки сканов нижняя половина изображения, как правило, удаляется, отображается только его верхняя часть. Если смещать ОКТ-сканы так, чтобы они пересекли линию нулевой задержки, то сосудистая оболочка окажется ближе к ней, это позволит визуализировать ее более четко [25, 26]. В настоящее время модуль увеличенной глубины изображения доступен у томографов Spectralis (Heidelberg Engineering, Германия) и Cirrus HD-OCT (Carl Zeiss Meditec, США) [23, 27]. Технология EDI-OCT применяется не только для исследования сосудистой оболочки при различной глазной патологии, но и с целью визуализации решетчатой пластинки и оценки ее смещения в зависимости от стадии глаукомы [28–30].
К методам Fourier-domain-OCT также относится ОКТ с перестраиваемым источником (swept-source OCT, SS-OCT; deep range imaging, DRI-OCT). В SS-OCT используются лазерные источники со свипированием частоты, т. е. лазеры, у которых частота излучения перестраивается с большой скоростью в пределах определенной спектральной полосы. При этом регистрируется изменение не частоты, а амплитуды отраженного сигнала во время цикла перестройки частоты [31]. В приборе используется 2 параллельных фотодетектора, благодаря которым скорость сканирования составляет 100 тыс. А-сканов/с (в отличие от 40 тыс. А-сканов в SD-OCT). Технология SS-OCT обладает рядом преимуществ. Длина волны 1050 нм, используемая в SS-OCT (в SD-OCT длина волны – 840 нм), обеспечивает возможность четкой визуализации глубоких структур, таких как хориоидеа и решетчатая пластинка, при этом качество изображения в значительно меньшей степени зависит от расстояния интересующей ткани до линии нулевой задержки, как в EDI-OCT [32]. Кроме того, при данной длине волны происходит меньшее рассеивание света при его прохождении сквозь мутный хрусталик, что обеспечивает более четкие изображения у пациентов с катарактой. Окно сканирования охватывает 12 мм заднего полюса (для сравнения: у SD-OCT – 6–9 мм), поэтому на одном скане одновременно могут быть представлены зрительный нерв и макула [33–36]. Результатами исследования методом SS-OCT являются карты, которые могут быть представлены в виде общей толщины сетчатки или отдельных ее слоев (слой нервных волокон сетчатки, слой ганглиозных клеток вместе с внутренним плексиморфным слоем, хориоидеа). Технология swept-source OCT активно применяется для исследований патологии макулярной зоны, хориоидеи, склеры, стекловидного тела, а также для оценки слоя нервных волокон и решетчатой пластинки при глаукоме [37–40]. В 2012 г. был представлен первый коммерческий Swept-Source OCT, реализованный в приборе Topcon Deep Range Imaging (DRI) OCT-1 Atlantis 3D SS-OCT (Topcon Medical Systems, Japan). С 2015 г. на зарубежном рынке стал доступен коммерческий образец DRI OCT Triton (Topcon, Japan) cо скоростью сканирования 100 тыс. А-сканов/с и разрешением 2–3 мкм.
Традиционно ОКТ использовалась для пред- и послеоперационной диагностики. С развитием технологического процесса стало возможно использование ОКТ-технологии, интегрированной в хирургический микроскоп. В настоящее время предлагаются сразу несколько коммерческих устройств с функцией выполнения интраоперационной ОКТ. Envisu SD-OIS (spectral-domain ophthalmic imaging system, SD-OIS, Bioptigen, США) – спектральный оптический когерентный томограф, предназначенный для визуализации ткани сетчатки, также с его помощью можно получить изображения роговицы, склеры и конъюнктивы. SD-OIS включает в себя портативный зонд и установки микроскопа, имеет осевое разрешение 5 мкм и скорость сканирования 27 кГц. Другая компания – OptoMedical Technologies GmbH (Германия) также разработала и представила ОКТ-камеру, которая может быть установлена на операционный микроскоп. Камера может быть использована для визуализации переднего и заднего сегментов глаза. Компания указывает, что данное устройство может быть полезным при выполнении таких хирургических пособий, как пересадка роговицы, операции по поводу глаукомы, хирургия катаракты и витреоретинальная хирургия. OPMI Lumera 700/Rescan 700 (Carl Zeiss Meditec, США), выпущенный в 2014 г., является первым коммерчески доступным микроскопом с интегрированным в него оптическим когерентным томографом. Оптические пути микроскопа используются для получения ОКТ-изображения в реальном времени. С помощью прибора можно измерить толщину роговицы и радужки, глубину и угол передней камеры во время хирургического вмешательства. ОКТ подходит для наблюдения и контроля нескольких этапов в хирургии катаракты: лимбальных разрезов, капсулорексиса и факоэмульсификации. Кроме того, система может обнаружить остатки вискоэластика и контролировать положение линзы во время и в конце операции. Во время хирургического вмешательства на заднем сегменте можно визуализировать витреоретинальные спайки, отслойку задней гиалоидной мембраны, наличие фовеолярных изменений (отек, разрыв, неоваскуляризация, кровоизлияние). В настоящее время в дополнение к уже имеющимся разрабатываются новые установки [41].
ОКТ – по сути, метод, позволяющий оценить на гистологическом уровне морфологию тканей (форму, структуру, размер, пространственную организацию в целом) и их составных частей. Приборы, которые включают в себя современные ОКТ-технологии и такие методы, как фотоакустическая томография, спектроскопическая томография, поляризационная томография, допплерография и ангиография, эластография, оптофизиология, дают возможность оценить функциональное (физиологическое) и метаболическое состояние исследуемых тканей. Поэтому в зависимости от возможностей, которыми может располагать ОКТ, ее принято классифицировать на морфологическую, функциональную и мультимодальную.
Фотоакустическая томография (photoacoustic tomography, PAT) использует различия в поглощении тканями коротких лазерных импульсов, последующем их нагреве и крайне быстром терморасширении для получения ультразвуковых волн, которые детектируются пьезоэлектрическими приемниками. Преобладание гемоглобина в качестве основного абсорбента данного излучения означает, что с помощью фотоакустической томографии можно получить контрастные изображения сосудистой сети. В то же время метод дает относительно мало информации о морфологии окружающей ткани. Таким образом, сочетание фотоакустической томографии и ОКТ позволяет оценить микрососудистую сеть и микроструктуру окружающих тканей [42].
Способность биологических тканей поглощать или рассеивать свет в зависимости от длины волны может быть использована для оценки функциональных параметров – в частности, насыщения гемоглобина кислородом. Этот принцип реализован в спектроскопической ОКТ (Spectroscopic OCT, SP-OCT). Хотя метод в настоящее время находится в стадии разработки, а его использование ограничивается экспериментальными моделями, тем не менее он представляется перспективным в плане исследования насыщения кислородом крови, предраковых поражений, внутрисосудистых бляшек и ожогов [43, 44].
Поляризационная ОКТ (Polarization sensitive OCT, PS-OCT) измеряет состояние поляризации света и основана на том факте, что некоторые ткани могут изменить состояние поляризации зондирующего светового пучка. Различные механизмы взаимодействия света и тканей могут вызвать такие изменения состояния поляризации, как двойное лучепреломление и деполяризацию, что уже частично ранее использовалось в лазерной поляриметрии. Двулучепреломляющими тканями являются строма роговицы, склера, глазные мышцы и сухожилия, трабекулярная сеть, слой нервных волокон сетчатки и рубцовая ткань [45]. Эффект деполяризации наблюдается при исследовании меланина, содержащегося в тканях пигментного эпителия сетчатки (ПЭС), пигментном эпителии радужки, невусах и меланомах хориоидеи, а также в виде скоплений пигмента сосудистой оболочки [46, 47]. Первый поляризационный низкокогерентный интерферометр был реализован в 1992 г. [48]. В 2005 г. PS-OCT был продемонстрирован для визуализации сетчатки человеческого глаза in vivo [49]. Одно из преимуществ метода PS-OCT заключается в возможности детальной оценки ПЭС, особенно в тех случаях, когда на ОКТ, например, при неоваскулярной макулодистрофии, пигментный эпителий плохо различим из-за сильного искажения слоев сетчатки и обратного светорассеяния (рис. 1). Есть и прямое клиническое предназначение этого метода. Дело в том, что визуализация атрофии слоя ПЭС может объяснить, почему у этих пациентов на фоне лечения после анатомического восстановления сетчатки острота зрения не улучшается [50]. Поляризационная ОКТ также применяется для оценки состояния слоя нервных волокон при глаукоме [51]. Следует отметить, что и другие структуры, деполяризующие в пределах пораженной сетчатки, могут быть обнаружены с помощью PS-OCT. Первоначальные исследования у больных с диабетическим макулярным отеком показали, что жесткие экссудаты являются деполяризующими структурами. Поэтому PS-OCT может быть использована для обнаружения и количественной оценки (размер, количество) жестких экссудатов при этом состоянии [52].
Оптическая когерентная эластография (optical coherence elastography, OCE) используется для определения биомеханического свойства тканей. ОКТ-эластография является аналогом ультразвуковой сонографии и эластографии, но с преимуществами, присущими ОКТ, такими как высокое разрешение, неинвазивность, получение изображений в реальном времени, глубина проникновения в ткани. Метод впервые был продемонстрирован в 1998 г. для изображения механических свойств in vivo кожи человека [53]. Экспериментальные исследования донорских роговиц с помощью данного метода продемонстрировали, что ОКТ-эластография может количественно оценить клинически значимые механические свойства данной ткани [53].
Первые спектральные ОКТ с функцией допплерографии (Doppler optical coherence tomography, D-OCT) для измерения глазного кровотока появились в 2002 г. [55]. В 2007 г. был измерен суммарный кровоток сетчатки с помощью кольцевых В-сканов вокруг зрительного нерва [56]. Однако метод имеет ряд ограничений. Например, с помощью допплеровской ОКТ трудно различить медленный кровоток в мелких капиллярах [56, 58]. Помимо этого, большинство сосудов проходят почти перпендикулярно к лучу скана, поэтому обнаружение сигнала допплеровского сдвига критически зависит от угла падающего света [59, 60]. Попыткой преодолеть недостатки D-OCT является ОКТ-ангиография. Для реализации данного метода была необходима высококонтрастная и сверхскоростная технология ОКТ. Ключевым в развитии и усовершенствовании методики стал алгоритм под названием «сплит-спектральная ангиография с декорреляцией амплитуды» (split-spectrum amplitude decorrelation angiography, SS-ADA). SS-ADA-алгоритм подразумевает проведение анализа при использовании разделения полного спектра оптического источника на несколько частей с последующим раздельным подсчетом декорреляции для каждого частотного диапазона спектра. Одновременно проводится анизотропный анализ декорреляции и выполняется ряд сканов с полной спектральной шириной, которые обеспечивают высокое пространственное разрешение сосудистой сети (рис. 2, 3) [61, 62]. Данный алгоритм используется в томографе Avanti RTVue XR (Optovue, США). ОКТ-ангиография является неинвазивной трехмерной альтернативой обычной ангиографии. К преимуществам метода относятся неинвазивность исследования, отсутствие необходимости применения флуоресцентных красителей, возможность измерения глазного кровотока в сосудах в количественном выражении.
Оптофизиология – способ неинвазивного изучения физиологических процессов в тканях с помощью ОКТ. ОКТ чувствительна к пространственным изменениям в оптическом отражении или рассеянии света тканями, связанными с локальными изменениями показателя преломления. Физиологические процессы, происходящие на клеточном уровне, такие как деполяризация мембраны, набухание клеток и изменения метаболизма, могут привести к небольшим, но обнаруживаемым изменениям локальных оптических свойств биологической ткани. Первые доказательства того, что ОКТ может быть использована для получения и оценки физиологической реакции на световую стимуляцию сетчатки, были продемонстрированы в 2006 г. [63]. В последующем данная методика была применена для исследования человеческой сетчатки in vivo. В настоящее время рядом исследователей продолжается работа в этом направлении [64].
ОКТ – один из самых успешных и широко используемых методов визуализации в офтальмологии. В настоящее время приборы для технологии находятся в списке продукции более чем 50 компаний в мире. За последние 20 лет разрешение улучшилось в 10 раз, а скорость сканирования увеличилась в сотни раз. Непрерывный прогресс в технологии ОКТ превратил этот метод в ценный инструмент для исследования структур глаза на практике. Разработка за последнее десятилетие новых технологий и дополнений ОКТ позволяет поставить точный диагноз, осуществлять динамическое наблюдение и оценивать результаты лечения. Это пример того, как новые технологии могут решать реальные медицинские проблемы. И, как это часто бывает с новыми технологиями, дальнейший опыт применения и разработка приложений могут дать возможность более глубокого понимания патогенеза патологии глаз.
