Оптическая когерентная томография

Оптическая когерентная томография (ОКТ) — это неинвазивный метод медицинской визуализации, основанный на принципе низкокогерентной интерферометрии, позволяющий получать поперечные (томографические) изображения внутренней микроструктуры биологических тканей in vivo с высоким разрешением (от 1 до 15 мкм). Метод часто сравнивают с «оптической биопсией», так как он позволяет визуализировать слои тканей на глубине до 2–3 мм без их физического извлечения.

Принцип действия

В основе ОКТ лежит интерферометрия в ближнем инфракрасном диапазоне (обычно 800–1300 нм). Источник излучения (сверхсветодиод или лазер с малой длиной когерентности) направляет световой пучок на исследуемую ткань и на опорное зеркало. Отражённые от разных слоёв ткани и от опорного зеркала сигналы интерферируют только в том случае, если разность их оптических путей не превышает длины когерентности источника (обычно 10–20 мкм). Изменяя положение опорного зеркала, можно последовательно регистрировать сигналы от разных глубин, формируя одномерную А-скан (амплитудный профиль отражения). Сканируя лучом по поверхности ткани, получают двумерное B-сканирование (томографический срез), а при сканировании в двух ортогональных направлениях — трёхмерное изображение (объёмный блок данных).

Типы ОКТ-систем

По способу реализации различают два основных типа:

• Time-domain OCT (TD-OCT, временная ОКТ): классический метод, в котором опорное зеркало механически перемещается. Обеспечивает высокое качество сигнала, но ограничен по скорости сканирования (до нескольких тысяч A-сканов в секунду).
• Fourier-domain OCT (FD-OCT, спектральная ОКТ): современный, более быстрый метод. Вместо перемещения зеркала используется спектрометр (Spectral-domain OCT, SD-OCT) или источник с перестраиваемой длиной волны (Swept-source OCT, SS-OCT). Глубинная информация (A-скан) получается путём обратного преобразования Фурье от спектра интерференционного сигнала. Скорость сканирования достигает десятков и сотен тысяч A-сканов в секунду, что позволяет получать объёмные изображения за секунды.

История развития

Первые работы по использованию низкокогерентной интерферометрии для визуализации биологических тканей были выполнены в конце 1980-х годов. В 1991 году группа учёных под руководством Джеймса Фудзимото (James Fujimoto) из Массачусетского технологического института опубликовала статью, в которой впервые продемонстрировала ОКТ-изображение сетчатки глаза и коронарной артерии. В 1995 году была проведена первая коммерческая ОКТ-визуализация сетчатки.

В 2000-е годы развитие технологии было связано с переходом от TD-OCT к FD-OCT, что значительно повысило скорость и разрешение. В 2010-е годы появились системы с адаптивной оптикой, позволяющие компенсировать аберрации глаза и достигать клеточного разрешения. В 2020-х годах активно развиваются методы ангио-ОКТ (OCT-angiography, OCTA), позволяющие визуализировать сосудистую сеть без введения контрастных веществ, а также методы поляризационно-чувствительной ОКТ (PS-OCT) для оценки структуры коллагена и других тканей.

Применение в медицине

Офтальмология

ОКТ является стандартом диагностики в офтальмологии. Основные области применения:

• Диагностика заболеваний сетчатки: макулярный отёк, возрастная макулярная дегенерация (ВМД), диабетическая ретинопатия, разрывы и отслойки сетчатки, эпиретинальный фиброз.
• Диагностика глаукомы: оценка толщины слоя нервных волокон сетчатки (RNFL) и ганглиозных клеток (GCL).
• Визуализация переднего отрезка глаза: оценка роговицы (кератоконус, дистрофии), угла передней камеры (закрытоугольная глаукома), хрусталика (катаракта).
• Контроль лечения: мониторинг эффективности терапии (например, при анти-VEGF-инъекциях) и послеоперационный контроль.

Кардиология

Внутрисосудистая ОКТ (IV-OCT) используется для визуализации стенок коронарных артерий:

• Оценка атеросклеротических бляшек: определение их типа (фиброзные, липидные, кальцинированные), выявление тонких капсул (нестабильные бляшки).
• Контроль стентирования: оценка прилегания стента к стенке артерии, выявление диссекций, тромбозов и неоатеросклероза.
• Исследование биодеградируемых стентов: визуализация их рассасывания.

Дерматология

ОКТ используется для диагностики заболеваний кожи:

• Диагностика рака кожи: базальноклеточный рак, плоскоклеточный рак, меланома (на ранних стадиях).
• Оценка воспалительных заболеваний: псориаз, экзема, склеродермия.
• Контроль заживления ран: оценка глубины повреждения и реэпителизации.

Другие области

• Стоматология: визуализация кариеса, оценка состояния дёсен, обнаружение трещин эмали.
• Гастроэнтерология: эндоскопическая ОКТ для диагностики рака пищевода, желудка, толстой кишки.
• Урология: визуализация слизистой мочевого пузыря для диагностики рака.
• Неврология: интраоперационная визуализация границ опухолей головного мозга.

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Неинвазивность: не требует введения контрастных веществ (кроме ангио-ОКТ, где используется контраст на основе крови).
• Высокое разрешение: до 1–2 мкм в офтальмологии, что на порядок выше, чем у ультразвука (УЗИ) и МРТ.
• Быстрота: сканирование занимает от долей секунды до нескольких минут.
• Безопасность: используется неионизирующее излучение (инфракрасный свет), не имеющее доказанных канцерогенных эффектов.
• Возможность получения трёхмерных изображений.

Ограничения

• Ограниченная глубина проникновения: 1–3 мм из-за рассеяния света в тканях.
• Чувствительность к движению: артефакты от движений глаза, дыхания, пульсации сосудов.
• Зависимость от прозрачности среды: в офтальмологии требуется прозрачность роговицы и хрусталика; при помутнениях (катаракта, кровоизлияния) качество изображения снижается.
• Высокая стоимость оборудования.

Перспективы развития

Основные направления развития ОКТ включают:

• Увеличение глубины проникновения: использование длин волн в диапазоне 1700–2000 нм (swept-source OCT) для визуализации более глубоких слоёв тканей.
• Повышение разрешения: адаптивная оптика, методы супер-разрешения.
• Функциональная ОКТ: ангио-ОКТ (визуализация сосудов), поляризационно-чувствительная ОКТ (оценка структуры коллагена), эластография ОКТ (оценка жёсткости тканей), спектроскопическая ОКТ (анализ химического состава).
• Интеграция с другими методами: комбинация с флуоресцентной микроскопией, конфокальной микроскопией, ультразвуком.
• Миниатюризация: создание портативных и эндоскопических ОКТ-зондов.

Источники

• Fujimoto, J. G., et al. (1991). Optical coherence tomography. Science, 254(5035), 1178-1181.
• Huang, D., et al. (1991). Optical coherence tomography. Science, 254(5035), 1178-1181.
• Drexler, W., & Fujimoto, J. G. (Eds.). (2008). Optical Coherence Tomography: Technology and Applications. Springer.
• Swanson, E. A., & Fujimoto, J. G. (2017). The evolution of optical coherence tomography. Biomedical Optics Express, 8(12), 5764-5786.
• Российское общество офтальмологов. (2020). Клинические рекомендации по диагностике и лечению возрастной макулярной дегенерации. Москва.