RU2328208C1 - Laser confocal two-wave retinotomograph with frequancy deviation - Google Patents
Laser confocal two-wave retinotomograph with frequancy deviation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2328208C1 RU2328208C1 RU2007106774/14A RU2007106774A RU2328208C1 RU 2328208 C1 RU2328208 C1 RU 2328208C1 RU 2007106774/14 A RU2007106774/14 A RU 2007106774/14A RU 2007106774 A RU2007106774 A RU 2007106774A RU 2328208 C1 RU2328208 C1 RU 2328208C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- retinotomograph
- laser diode
- laser beam
- optical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области биомедицинских диагностических технологий, в частности к созданию оптических томографов, позволяющих объективно определять пространственные характеристики сетчатки (ретины) глаза человека или животных при наличии катаракты (помутнении хрусталика, которое обуславливает рассеяние света) и обнаруживать ранние стадии глаукомы на основании определения экскавации диска зрительного нерва в одноволновом режиме, а также оценивать, например, диабетическую ретинопатию и макулярную дегенерацию, являющихся одним из основных причин слепоты, на основе анализа функционирования сосудистой системы глаза при зондировании сетчатки в двухволновом режиме.The invention relates to the field of biomedical diagnostic technologies, in particular, to the creation of optical tomographs that objectively determine the spatial characteristics of the retina (retina) of a human or animal eye in the presence of cataracts (clouding of the lens, which causes light scattering) and to detect early stages of glaucoma based on the definition of disk excavation single-wave optic nerve, as well as evaluate, for example, diabetic retinopathy and macular degeneration, which are one m of the main causes of blindness, by analyzing the functioning of the vascular system of the eye retina when probing in a dual wavelength mode.
Известен оптический томограф, в котором объемную ткань зондируют лазерными импульсами определенной длительности (пико или наносекундной длительности) на длине волны, соответствующей слабому поглощению биотканей (ближняя ИК область) и сравнивают форму и амплитуду входного и прошедшего или отраженного рассеивающей средой оптических импульсов, определяют параметры неоднородности по временному уширению продетектированных оптических импульсов и изменению их амплитуды, а при пространственном сканировании лазерного пучка по поверхности зондируемой биоткани производится диагностика объемных локальных оптических макронеоднородностей (Patterson M.S., Chance В., Wilson B.C. Time-resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties. Appl. Opt., 1989. V.28. P.2331-2336).An optical tomograph is known in which volumetric tissue is probed with laser pulses of a certain duration (pico or nanosecond duration) at a wavelength corresponding to weak absorption of biological tissues (near IR region) and the shape and amplitude of the optical pulses input and transmitted or reflected by a scattering medium are determined, and the inhomogeneity parameters are determined by temporal broadening of detected optical pulses and a change in their amplitude, and by spatial scanning of a laser beam over a surface of probed biological tissue, diagnostics of volumetric local optical macroinhomogeneities (Patterson MS, Chance B., Wilson BC Time-resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties. Appl. Opt., 1989. V.28. P.2331- 2336).
Однако при зондировании сильно рассеивающих объемных сред пикосекундными лазерными импульсами на толщинах несколько сантиметров уровень сигнала может уменьшиться на 60-80 дБ, а уширение импульса может достигать несколько наносекунд, при этом для детектирования оптических импульсов используются сверхскоростные фотоприемники, типа лавинных фотодиодов, обладающие малой чувствительностью, а для анализа формы продетектированных оптических импульсов используются скоростные осциллографы, которые также обладают малой чувствительностью.However, when probing strongly scattering bulk media with picosecond laser pulses at a thickness of a few centimeters, the signal level can decrease by 60-80 dB, and the pulse broadening can reach several nanoseconds, while ultra-fast photodetectors such as avalanche photodiodes with low sensitivity are used to detect optical pulses and to analyze the shape of the detected optical pulses, high-speed oscilloscopes are used, which also have low sensitivity.
Более перспективным для экспериментальной реализации является создание оптических томографов на основе амплитудно-фазового способа, в котором зондирование происходит с помощью непрерывного лазерного излучения, интенсивность которого промодулированна в диапазоне частот, соизмеримых с обратным временем уширения лазерных импульсов в зондируемых биосредах, то есть в характерном диапазоне частот сотни МГц - единицы ГГц (Medical optical tomography: functional imaging and monitoring / Eds G.Muller, B.Chance, R.Alfano et al. SPIE, 1993, V.IS11; Акчурин Г.Г., Зимняков Д.А., Тучин В.В. Оптоэлектронный модуль для лазерной СВЧ модуляционной спектроскопии и томографии биотканей. Биомедицинская радиоэлектроника, 2000, №1, с.46-53).More promising for experimental implementation is the creation of optical tomographs based on the amplitude-phase method, in which the sounding is performed using continuous laser radiation, the intensity of which is modulated in the frequency range comparable with the inverse time of the laser pulse broadening in the probed biological media, that is, in the characteristic frequency range hundreds of MHz - units of GHz (Medical optical tomography: functional imaging and monitoring / Eds G. Muller, B. Improvement, R. Alfano et al. SPIE, 1993, V.IS11; Akchurin G.G., Zimnyakov D.A., Tuchin VV Optoelectronic The first module for laser microwave modulation spectroscopy and tomography of biological tissues. Biomedical Radio Electronics, 2000, No. 1, pp. 46-53).
Однако при практической реализации таких оптических томографов на основе нестационарных лазерных методов зондирования возникают экспериментальные трудности, связанные с недостаточной чувствительностью детектирующих фотоприемников типа быстродействующих фотодиодов, а чувствительные ФЭУ (фотоэлектронные умножители) не обладают соответствующим быстродействием.However, in the practical implementation of such optical tomographs based on non-stationary laser sensing methods, experimental difficulties arise due to the insufficient sensitivity of detecting photodetectors such as high-speed photodiodes, and sensitive PMTs (photoelectronic multipliers) do not have the corresponding speed.
Такие оптические томографы встречают серьезные технические трудности при зондировании тонких и слабо рассеивающих сред, так как фазовые задержки рассеянных волн составляют пико- или фемтосекундную длительность. Такие типы оптических томографов используются для диагностики неоднородностей на относительно больших глубинах, достигающих несколько сантиметров, например, в качестве оптических маммографов для экспресс-анализа рака молочной железы или опухолей головного мозга. Однако пространственное разрешение таких типов томографов достигает в настоящее время несколько миллиметров, что недостаточно для диагностики внутренних структур глаза.Such optical tomographs encounter serious technical difficulties when sensing thin and weakly scattering media, since the phase delays of the scattered waves amount to a picosecond or femtosecond duration. These types of optical tomographs are used to diagnose heterogeneities at relatively large depths of up to several centimeters, for example, as optical mammographs for rapid analysis of breast cancer or brain tumors. However, the spatial resolution of these types of tomographs currently reaches several millimeters, which is not enough to diagnose the internal structures of the eye.
Для диагностики внутренней структуры сетчатки глаза человека используется низкокогерентный оптический томограф (ОСТ), который позволяет получать трехмерные изображения в сильно рассеивающих тканях толщиной до 1-1,5 миллиметра с разрешением по глубине 15-20 микрон (Fercher A.F. J. Biomed. Opt. 1996. V1. P.157-173; Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Гладкова Н.Д. и др. Письма в ЖЭТФ. 1995. Т.61. С.149-153). В таких оптических низкокогерентных томографах в качестве излучателя используется суперлюминесцентный светодиод (SLD) с длиной когерентности порядка 15-20 микрон, которая и определяет пространственное разрешение по глубине. Томограф состоит из суперлюминесцентного светодиода (длина волны обычно в ближней ИК области), излучение которого вводится в одномодовый волоконно-оптический интерферометр Майкельсона, в одном их плеч которого установлена перестраиваемая оптическая линия задержки, а в другом - диагностическом, с помощью оптической системы формируется гауссов пучок с фокальным пятном, перетяжка которого перестраивается по глубине соответствующим пространственным сканером. Интерференционный оптический сигнал, формируемый за счет отражения от зондируемой ткани в измерительном плече и оптической волны, отраженной от зеркала в опорном плече интерферометра при равенстве оптических путей в обоих плечах, смешиваются на квадратичном фотодетекторе и фототок несет информацию об интенсивности отраженного сигнала в измерительном плече из зондируемой области, определяемой «объемом когерентности», задаваемом в поперечном сечении размером фокального пятна, в соответствии с соотношениемTo diagnose the internal structure of the human retina, a low-coherence optical tomograph (OCT) is used, which allows three-dimensional images to be obtained in highly scattering tissues up to 1-1.5 mm thick with a resolution of 15-20 microns in depth (Fercher AFJ Biomed. Opt. 1996. V1 P.157-173; Helikonov V.M., Helikonov G.V., Gladkova N.D. et al. Letters to JETP. 1995. V.61. S.149-153). In such optical low-coherence tomographs, a superluminescent LED (SLD) with a coherence length of about 15-20 microns, which determines the spatial resolution in depth, is used as an emitter. The tomograph consists of a superluminescent LED (the wavelength is usually in the near infrared region), the radiation of which is introduced into a single-mode Michelson fiber-optic interferometer, in which one of the arms has a tunable optical delay line, and in the other, a diagnostic one, a Gaussian beam is formed using the optical system with a focal spot, the constriction of which is rearranged in depth by a corresponding spatial scanner. The interference optical signal generated by reflection from the probed tissue in the measuring arm and the optical wave reflected from the mirror in the supporting arm of the interferometer with equal optical paths in both arms are mixed on a quadratic photodetector and the photocurrent carries information about the intensity of the reflected signal in the measuring arm from the probed the region defined by the “coherence volume” defined in the cross section by the size of the focal spot, in accordance with the ratio
где λ - длина волны зондирующего излучения; NA - числовая апертура оптической системы томографа и глаза человека;where λ is the wavelength of the probe radiation; NA is the numerical aperture of the optical system of the tomograph and the human eye;
а в продольном направлении - длиной когерентности Lc, которая обратно пропорциональной ширине спектра зондирующего излучателя (SLD).and in the longitudinal direction, by the coherence length L c , which is inversely proportional to the spectral width of the probe emitter (SLD).
В случае возникновения катаракты (помутнения хрусталика) минимальный размер светового пучка на сетчатке увеличивается приблизительно в (d/rс) раз, а интенсивность света падает в (rc/d)2, где (rc - радиус поперечной пространственной корреляции случайного рассеивающего оптического поля на внутренней поверхности хрусталика, который в зависимости от степени и вида катаракты может быть много меньше радиуса зрачка d). Для мутного хрусталика радиус фокального пятна в области перетяжки может быть оценен из соотношенияIn the case of cataracts (lens clouding), the minimum size of the light beam on the retina increases approximately (d / r s ) times, and the light intensity decreases by (r c / d) 2 , where (r c is the radius of the transverse spatial correlation of the random scattering optical field on the inner surface of the lens, which, depending on the degree and type of cataract, can be much smaller than the pupil radius d). For a cloudy lens, the radius of the focal spot in the constriction region can be estimated from the relation
где f - заднее фокусное расстояние оптической системы глаза (Шамшинова A.M., Волков В.В. Функциональные методы исследования в офтальмологии. М.: Медицина, 1999. 415 с.; Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981. 640 с.).where f is the rear focal length of the optical system of the eye (Shamshinova AM, Volkov V.V. Functional research methods in ophthalmology. M: Medicine, 1999. 415 p .; Akhmanov SA, Dyakov Yu.E., Chirkin A. C. Introduction to Statistical Radiophysics and Optics, Moscow: Nauka, 1981. 640 p.).
Таким образом, в случае катаракты размер фокального пятна возрастает обратно пропорционально радиусу поперечной корреляции, который определяется параметрами рассеяния катарактального хрусталика и может быть на порядки меньше диаметра зрачка. Таким образом, катаракта существенно ухудшает не только поперечное разрешение ОСТ, но и продольное, вследствие спекл-модуляции снижающей контрастность интерференционной картины.Thus, in the case of cataracts, the size of the focal spot increases inversely with the transverse correlation radius, which is determined by the scattering parameters of the cataract lens and can be orders of magnitude smaller than the pupil diameter. Thus, cataracts significantly worsen not only the transverse resolution of the OCT, but also the longitudinal resolution, due to speckle modulation, which reduces the contrast of the interference pattern.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является лазерный сканирующий конфокальный ретинотомограф (Heidelberg Engineering, HRT II; Masters B.R., Thaer A.A. Appl. Opt. 1994, v.33, p.695-701), состоящий из инжекционного лазерного диода с длиной волны 670 нм с постоянной выходной мощностью излучения, стабилизированного источника тока для накачки лазерного диода; микрообъектива, формирующего сфокусированный зондирующий лазерный пучок; двух микродиафрагм, одна из которых расположена в перетяжке зондирующего лазерного пучка в плоскости предметов, а вторая в плоскости изображений, сопряженная относительно полупрозрачного зеркала, используемого для отраженного пучка из зондируемого фокального объема сетчатки; фотоприемника, детектирующего отраженное излучение, прошедшее вторую диафрагму; оптического двухмерного сканера, с помощью которого зондируется сетчатка; оптической системы, перестраивающей фокальное пятно лазерного пучка по глубине сетчатки глаза.Closest to the proposed technical solution is a laser scanning confocal retinotomograph (Heidelberg Engineering, HRT II; Masters BR, Thaer AA Appl. Opt. 1994, v.33, p.695-701), consisting of an injection laser diode with a wavelength of 670 nm with a constant output power of a radiation, a stabilized current source for pumping a laser diode; a micro lens forming a focused probe laser beam; two micro-diaphragms, one of which is located in the constriction of the probe laser beam in the plane of objects, and the second in the plane of images, conjugated relative to the translucent mirror used for the reflected beam from the probed focal volume of the retina; a photodetector detecting reflected radiation transmitted through the second diaphragm; optical two-dimensional scanner with which the retina is probed; optical system that reconstructs the focal spot of the laser beam along the depth of the retina.
Однако при наличии даже ранней катаракты вследствие рассеяния на оптических неоднородностях хрусталика возникает пространственная спекл-модуляция зондирующего пучка (Акчурин Г.Г., Бакуткин В.В., Радченко Е.Ю., Тучин В.В. Лазерная спекл-интерферометрия и возможность определения ретинальной остроты зрения при катаракте. Биомедицинская радиоэлектроника, 2002, №1, с 46-53), снижающая не только поперечное разрешение ретинотомографа, но приводящая к спекл-шуму в отраженном трехмерном изображении, получаемом лазерным конфокальным ретинотомографом.However, in the presence of even early cataract, due to scattering on the optical inhomogeneities of the lens, spatial speckle modulation of the probe beam occurs (Akchurin G.G., Bakutkin V.V., Radchenko E.Yu., Tuchin V.V. Laser speckle interferometry and the possibility of determining retinal visual acuity in cataracts. Biomedical Electronics, 2002, No. 1, pp. 46-53), which reduces not only the transverse resolution of the retinotomograph, but also leads to speckle noise in the reflected three-dimensional image obtained by the laser confocal retinotomograph .
Как утверждает офтальмологическая медицинская статистика, в 40% случаев совместно с глаукомой возникает катаракта. При ранней стадии катаракты при использовании оптических микроскопов возможно наблюдение глазного дна. Однако как показывают исследования на лазерном конфокальном ретинотомографе, вследствие когерентного рассеяния лазерного излучения на оптических неоднородностях хрусталика или роговицы, вследствие эффектов интерференции возникающее спекл-поле приводит к сильным искажениям отраженного оптического сигнала от сетчатки («игольчатая» трехмерная картина, т.е. покрытая пространственной спекл-модуляцией интенсивности отраженного излучения). Это сильно зашумляет наблюдаемую на компьютере информационную картину глазного дна и не позволяет вычислить параметры, связанные с характерными углублениями в диске зрительного нерва (экскавация зрительного нерва) или отека, в макулярной области сетчатки, связанного с диабетической ретинопатией. Характерный вид трехмерной томографической картины диска зрительного нерва уже при очень слабом рассеянии в хрусталике ("игольчатая" структура), искажающая измеряемые объемные параметры представлена на фиг.1.According to ophthalmic medical statistics, in 40% of cases, cataracts occur together with glaucoma. In the early stage of cataracts using optical microscopes, observation of the fundus is possible. However, as shown by studies on a laser confocal retinotomograph, due to the coherent scattering of laser radiation by the optical inhomogeneities of the lens or cornea, due to interference effects, the resulting speckle field leads to strong distortions of the reflected optical signal from the retina (“needle” three-dimensional picture, that is, covered with a spatial speckle modulation of reflected radiation intensity). This greatly rustles the informational picture of the fundus observed on a computer and does not allow one to calculate the parameters associated with characteristic depressions in the optic nerve disk (excavation of the optic nerve) or edema in the macular region of the retina associated with diabetic retinopathy. A characteristic view of a three-dimensional tomographic picture of the optic disc even with very weak scattering in the lens ("needle" structure), distorting the measured volumetric parameters is presented in figure 1.
Технической задачей предлагаемого решения является создание лазерного конфокального двухволнового ретинотомографа для диагностики объемной внутренней структуры сетчатки как в макулярной области сетчатки, так в области диска зрительного нерва in vivo при наличии катаракты, рассеяния в мутной роговице или стекловидном теле, существенно расширяющего диагностические возможности конфокального одноволнового лазерного ретинотомографа. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности лазерного ретинотомографа, например, для ранней диагностики диабетической ретинопатии и макулярной дегенерации, являющихся основной причиной слепоты.The technical task of the proposed solution is to create a laser confocal two-wave retinotomograph for the diagnosis of the volumetric internal structure of the retina both in the macular region of the retina and in the region of the optic nerve disk in vivo in the presence of cataracts, scattering in the turbid cornea or vitreous body, significantly expanding the diagnostic capabilities of the confocal single-wave laser retinotomograph . In addition, the proposed device allows you to expand the functionality of a laser retinotomograph, for example, for the early diagnosis of diabetic retinopathy and macular degeneration, which are the main cause of blindness.
Поставленная задача решается тем, что лазерный конфокальный ретинотомограф, состоящий из инжекционного лазерного диода с длиной волны λ=670 нм, источника тока для накачки лазерного диода, микрообъектива, формирующего сфокусированный зондирующий лазерный пучок, двух микродиафрагм, одна из которых расположена в перетяжке зондирующего лазерного пучка в плоскости предметов, а вторая - в плоскости изображений, сопряженная с первой микродиафрагмой относительно полупрозрачного зеркала для отраженного пучка из зондируемой фокальной области сетчатки, детектирующего фотоприемника, оптического двумерного сканера, оптической системы, перестраивающей фокальное пятно лазерного пучка по глубине сетчатки глаза, согласно решению ретинотомограф содержит дополнительный инжекционный инфракрасный лазерный диод с длиной волны λ=810 нм, лазерный пучок которого является соосным с излучением основного лазерного диода, генератор пилообразного напряжения для модуляции тока инжекции в обоих лазерных диодах с периодом меньшим, чем время индикации одной пространственной точки в сканирующем ретинотомографе и дополнительный фотоприемник, селективно детектирующий излучение на длине волны λ=810 нм.The problem is solved in that the laser confocal retinotomograph, consisting of an injection laser diode with a wavelength of λ = 670 nm, a current source for pumping a laser diode, a micro lens forming a focused probe laser beam, two micro diaphragms, one of which is located in the constriction of the probe laser beam in the plane of objects, and the second in the plane of images, conjugated with the first micro-diaphragm relative to the translucent mirror for the reflected beam from the probed focal region with according to the solution, the retinotomograph contains an additional injection infrared laser diode with a wavelength λ = 810 nm, the laser beam of which is coaxial with the radiation of the main laser diode, sawtooth voltage generator for modulating the injection current in both laser diodes with a period shorter than the time of indication of one spatial point in the scanning retinotomograph and additional photodetector selectively detecting radiation at a wavelength of λ = 810 nm.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 представлен характерный вид трехмерной томографической картины диска зрительного нерва при зондировании в одноволновом режиме с длиной волны 670 нм при наличии ранней катаракты, на фиг.2. - блок-схема предлагаемого ретинотомографа, на фиг.3 и фиг.4. представлены экспериментальные результаты подавления спекл-структуры за счет соответствующего усреднения тестовых измерений, на фиг.5 показаны диск зрительного нерва, наблюдаемого с помощью традиционной щелевой лампы и одноволнового лазерного конфокального томографа, где 1 - генератор пилообразного напряжения, модулирующий ток инжекции полупроводниковых инжекционных лазеров по пилообразному закону и периодом повторения импульсов, меньшим времени индикации одной пространственной точки двумерной топограммы.Figure 1 presents a characteristic view of a three-dimensional tomographic picture of the optic disc during probing in the single-wave mode with a wavelength of 670 nm in the presence of early cataract, figure 2. - a block diagram of the proposed retinotomograph, figure 3 and figure 4. the experimental results of speckle structure suppression due to the corresponding averaging of test measurements are presented; Fig. 5 shows the optic nerve disk observed with a traditional slit lamp and a single-wavelength laser confocal tomograph, where 1 is a sawtooth voltage generator that modulates the injection current of semiconductor injection lasers according to a sawtooth the law and the pulse repetition period, less than the time of indication of one spatial point of a two-dimensional topogram.
2, 3 - блоки питания полупроводниковых инжекционных лазеров;2, 3 - power supplies of semiconductor injection lasers;
4 - полупроводниковый инжекционный лазер с длиной волны λ1=670 нм при модуляции частоты излучения по пилообразному закону, вызванной изменением тока инжекции лазерного диода;4 - a semiconductor diode laser with a wavelength of λ 1 = 670 nm by the emission frequency sawtooth modulation caused by the change of the injection current of the laser diode;
5 - полупроводниковый инжекционный лазер с длиной волны λ2=810 нм при модуляции частоты излучения по пилообразному закону, вызванной изменением тока инжекции лазерного диода; 6 - двухволновый смеситель соосных лазерных пучков; 7 - микрообъектив, формирующий сфокусированный двухволновый лазерный пучок; 8, 9 - фотоприемники с селективными фильтрами на соответствующие длины волн λ1 и λ2, для регистрации рассеянного назад из сетчатки лазерного излучения; 10, 11 - система двух микро-диафрагм, ортогонально соосных относительно делителя лазерного пучка - 12; 13 двухволновый делитель, отраженного пучка для одновременного детектирования отраженного излучения двумя фотоприемниками; 14 - двухкоординатный оптический сканер лазерного пучка с фокусирующей системой, позволяющей получать последовательность двумерных топограмм 15 - оптическая система, перестраивающая фокальное пятно по глубине зондируемой сетчатки; 16 - исследуемая сетчатка глаза при наличии катаракты.5 - a semiconductor injection laser with a wavelength of λ 2 = 810 nm when the radiation frequency is modulated according to a sawtooth law caused by a change in the injection current of the laser diode; 6 - two-wave mixer coaxial laser beams; 7 - a micro lens forming a focused two-wave laser beam; 8, 9 - photodetectors with selective filters for the corresponding wavelengths λ 1 and λ 2 , for recording laser radiation scattered back from the retina; 10, 11 - a system of two micro-diaphragms, orthogonally aligned with respect to the laser beam splitter - 12; 13 two-wave splitter of the reflected beam for simultaneous detection of reflected radiation by two photodetectors; 14 - two-coordinate optical laser beam scanner with a focusing system that allows you to obtain a sequence of two-dimensional topograms; 15 - optical system that reconstructs the focal spot along the depth of the probed retina; 16 - the studied retina in the presence of cataract.
В основе предлагаемого устройства когерентного оптического ретинотомографа с девиацией частоты лежит обнаруженный авторами спекл-фотохромный эффект (Акчурин Г.Г., Акчурин А Г. // Опт и спектр, 2005, том 98, вып.2, с.300-308), заключающийся в динамике спеклов рассеянного когерентного оптического излучения при изменении частоты зондирующего лазера. При зондировании объемных оптически неоднородных сред в рассеянном оптическом поле вследствие явления интерференции когерентных волн возникает определенное спекл-поле, которое детектируется, например, ПЗС-матрицей фотоприемников видеокамеры. При неизменной частоте зондирующего лазерного излучения наблюдается стационарная картина спекл-поля, а при перестройке частоты возникает пространственное смещение спекл-структур, зависящее от скорости перестройки частоты лазера и величины девиации. Обнаружено, что если девиация частоты зондирующего излучения изменяется на величину, соизмеримую с обратным временем средних фазовых задержек рассеянных волн в объемной оптически неоднородной среде, то двумерный коэффициент корреляции интенсивности спекл-поля уменьшается в два раза.The proposed device of a coherent optical retinotomograph with frequency deviation is the speckle photochromic effect discovered by the authors (Akchurin G.G., Akchurin A.G. // Opt and Spectrum 2005, Volume 98, Issue 2, pp. 300-308), consisting in the dynamics of the speckles of scattered coherent optical radiation with a change in the frequency of the probe laser. When probing bulk optically inhomogeneous media in a scattered optical field due to the interference of coherent waves, a certain speckle field arises, which is detected, for example, by the CCD matrix of the photodetectors of the video camera. At a constant frequency of the probe laser radiation, a stationary speckle field pattern is observed, and when the frequency is tuned, a spatial displacement of the speckle structures arises, depending on the speed of the laser frequency tunning and the deviation. It was found that if the frequency deviation of the probe radiation changes by a value commensurate with the reciprocal time of the average phase delays of the scattered waves in a bulk optically inhomogeneous medium, the two-dimensional correlation coefficient of the speckle field intensity decreases by half.
Экспериментально апробация эффекта по наблюдению динамики спеклов произведена на тестовых сильно рассеивающих структурах типа фторопласта толщиной от десятков микрон до 2-х сантиметров. Частота излучения одночастотного лазера может перестраиваться на величину ширины линии излучения. Нами в экспериментах использовались полупроводниковый инжекционный лазерный диод (λ=650 нм и λ=810 нм) с перестройкой частоты изменением тока инжекции в пределах десятков и сотен ГГцThe effect was tested experimentally by observing the dynamics of speckles on test strongly scattering structures such as fluoroplastic with a thickness of tens of microns to 2 centimeters. The radiation frequency of a single-frequency laser can be tuned to the value of the radiation line width. In our experiments, we used a semiconductor injection laser diode (λ = 650 nm and λ = 810 nm) with frequency tuning by changing the injection current within tens and hundreds of GHz
Обнаруженный спекл-динамический эффект наблюдается и при рассеянии на регулярных структурах типа многомодового оптического волокна и фотонных кристаллах. Экспериментально нами было установлено, если девиация частоты излучения лазера больше величины межмодовой дисперсии многомодового оптического волокна, в выходном излучении световода наблюдается динамическая спекл-структура. Если девиация частоты лазерного излучения близка к нулю, то спекл-структура на выходе волокна, возникающая вследствие интерференции волноводных мод, неподвижна. Если девиация частоты больше межмодовой дисперсии волноводных мод (фазовой задержки), а период изменения частоты меньше, чем быстродействие цифровой видеокамеры, то происходит усреднение спеклов.The discovered speckle-dynamic effect is also observed upon scattering on regular structures such as a multimode optical fiber and photonic crystals. We experimentally established that if the deviation of the laser radiation frequency is greater than the intermode dispersion of a multimode optical fiber, a dynamic speckle structure is observed in the output radiation of the fiber. If the frequency deviation of the laser radiation is close to zero, then the speckle structure at the fiber output, which arises as a result of interference from the waveguide modes, is stationary. If the frequency deviation is greater than the intermode dispersion of the waveguide modes (phase delay), and the frequency change period is shorter than the speed of the digital video camera, then the speckles are averaged.
На фиг.3. представлена контрастная спекл-структура, возникающая в излучении с выходного конца типичного многомодового волокна (диаметр центральной жилы 50 микрон, оболочки 125 микрон, числовая апертура NA=0.2; длина волокна 10 метров) при зондировании излучением полупроводникового лазерного диода с постоянными током инжекции и, соответственно, постоянной частотой излучения лазерного диода, излучение которого детектируется с помощью ПЗС цифровой черно-белой видеокамеры типа "Video-Scan" VS-CCT-075, имеющей пространственное разрешение сравнимое с разрешением глаза человека.In figure 3. A contrast speckle structure is shown that arises in the radiation from the output end of a typical multimode fiber (central core diameter 50 microns, sheaths 125 microns, numerical aperture NA = 0.2; fiber length 10 meters) when radiation is probed by a semiconductor laser diode with a constant injection current and, respectively , the constant frequency of the laser diode, the radiation of which is detected using a CCD digital black-and-white video camera type "Video-Scan" VS-CCT-075, with a spatial resolution comparable to the resolution of aza person.
На фиг.4. показан эффект подавления спекл-структуры при использовании лазерного диода с модуляцией тока инжекции лазерного диода, вызывающей девиацию частоты лазера Δν, большей, чем величина межмодовой дисперсии (определяемой эффективной величиной фазовых задержек волноводных мод в волокне, возбуждаемых в оптическом волокне определенной длины) при периоде модуляции (Т=0.1 мс) меньшем, чем быстродействие цифровой видеокамеры.In figure 4. the effect of suppressing the speckle structure when using a laser diode with a modulation of the injection current of the laser diode, causing the deviation of the laser frequency Δν to be greater than the intermode dispersion (determined by the effective phase delay of the waveguide modes in the fiber excited in the optical fiber of a certain length) during the modulation period is shown (T = 0.1 ms) less than the speed of a digital video camera.
Таким образом обнаруженный фотохромный эффект динамики спеклов позволяет подавить спекл-модуляцию рассеянного когерентного оптического поля и предлагаемый лазерный конфокальный ретинотомограф с девиацией частоты позволит подавить спекл-шум («игольчатость») и получать изображения сетчатки глаза и оценивать геометрические параметры (экскавация диска зрительного нерва) несмотря на наличие рассеивающих структур в виде катарактального хрусталика или помутневшей роговицы.Thus, the discovered photochromic effect of speckle dynamics allows us to suppress the speckle modulation of a scattered coherent optical field and the proposed laser confocal retinotomograph with frequency deviation allows us to suppress speckle noise (“acicularity”) and obtain images of the retina and evaluate geometric parameters (excavation of the optic nerve head) despite for the presence of scattering structures in the form of a cataract lens or clouded cornea.
Для расширения функциональных возможностей лазерного ретинотомографа, например для ранней диагностики диабетической ретинопатии, являющейся основной причиной слепоты, необходим анализ состояния сосудистой системы сетчатки. Для такой неинвазивной диагностики предлагается измерения на двух длинах волн, одна из которых соответствует изобестической точке (λ=810 нм), в которой поглощение гемоглобина крови одинаково для оксигенированной (артериальной) и неоксигенированной (венозной) крови, а зондирование на другой длине волны λ=670 нм соответствует минимальному коэффициенту поглощения артериальной крови (Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов. 1998. 377 с.).To expand the functionality of a laser retinotomograph, for example, for the early diagnosis of diabetic retinopathy, which is the main cause of blindness, an analysis of the state of the vascular system of the retina is necessary. For such non-invasive diagnostics, measurements are proposed at two wavelengths, one of which corresponds to an isobestic point (λ = 810 nm), in which the absorption of blood hemoglobin is the same for oxygenated (arterial) and non-oxygenated (venous) blood, and sounding at a different wavelength λ = 670 nm corresponds to the minimum absorption coefficient of arterial blood (Tuchin V.V. Lasers and fiber optics in biomedical research. Saratov. 1998. 377 p.).
Получение разностной трехмерной цифровой картины при зондировании на λ=670 нм и λ=810 нм, которая должна позволить оценить степень разрастания сосудов и их насыщенность кислородом, а также отек макулярной области сетчатки, так как коэффициенты рассеяния биотканями практически одинаковы для этих зондирующих длин волн, а коэффициенты поглощения отличаются более чем на порядок, при этом коэффициент экстинкции, ответственный за интенсивность отраженного сигнала, равен их сумме. Двухволновая диагностика с помощью такого ретинотомографа позволяет идентифицировать капиллярную сеть вен и артерий для оценки кровоснабжения сетчатки, что должно позволить проводить раннюю диагностику возрастной макулярной дегенерации (ВДМ) (по данным Американской Академии офтальмологии ВДМ имеет место у 15% населения в возрасте 40-80 лет и ежегодно обнаруживается 200 тыс. новых случаев ВДВ влажного типа, приводящих к слепоте). Кроме того, двухволновый ретинотомограф должен позволить оценивать эффективность фотодинамической терапии опухолей глаза и макулярной дегенерации, вызванной образованием кровеносных сосудов при аномальной пролиферации клеток. В настоящее время фотодинамическая терапия с визудином является единственным методом лечения возрастной макулярной дистрофии (ВДМ) - одной из самой частой причины слепоты (13 млн. американцев отмечается ВДМ).Obtaining a differential three-dimensional digital picture when probing at λ = 670 nm and λ = 810 nm, which should allow us to estimate the degree of vascular growth and their oxygen saturation, as well as edema of the macular region of the retina, since the scattering coefficients of biological tissues are almost identical for these probe wavelengths, and the absorption coefficients differ by more than an order of magnitude, while the extinction coefficient responsible for the intensity of the reflected signal is equal to their sum. Two-wave diagnostics using such a retinotomograph allows identification of the capillary network of veins and arteries for assessing blood supply to the retina, which should allow early diagnosis of age-related macular degeneration (VDM) (according to the American Academy of Ophthalmology, VDM occurs in 15% of the population aged 40-80 years and 200,000 new cases of wet-type airborne airborne infections leading to blindness are detected annually). In addition, a two-wave retinotomograph should allow evaluating the effectiveness of the photodynamic therapy of eye tumors and macular degeneration caused by the formation of blood vessels during abnormal cell proliferation. Currently, photodynamic therapy with vizudine is the only treatment for age-related macular dystrophy (VDM), one of the most common causes of blindness (13 million Americans report VDM).
Диагностика сетчатки зрительного нерва с помощью одноволнового ретинотомографа позволяет измерять геометрические параметры, например глубину диска зрительного нерва (экскавацию) и его потенциальные возможности. Так как оптический когерентный ретинотомограф измеряет величину отраженного лазерного излучения, то в этом сигнале содержится информация о поглощении тканей и сосудов. Контрастность положения кровеносных сосудов нетрудно видеть из сравнения диска зрительного нерва, наблюдаемого с помощью традиционной щелевой лампы, и одноволнового лазерного конфокального томографа, показанного на фиг.5. Зондирование на двух длинах волн, одна из которых одинаково поглощается кровью (810 нм), и на другой с разным коэффициентом поглощения должно в разностном сигнале идентифицировать контрастные геометрические положения артериальных и венозных капилляров, что необходимо для оценки ретинопатии.Diagnosis of the retina of the optic nerve with the help of a single-wave retinotomograph allows you to measure geometric parameters, such as the depth of the optic disc (excavation) and its potential capabilities. Since the optical coherent retinotomograph measures the magnitude of the reflected laser radiation, this signal contains information about the absorption of tissues and blood vessels. The contrast of the position of the blood vessels can be easily seen from a comparison of the optic nerve disc observed with a traditional slit lamp and the single-wave laser confocal tomograph shown in FIG. Sounding at two wavelengths, one of which is equally absorbed by the blood (810 nm), and the other with a different absorption coefficient should identify the contrasting geometric positions of the arterial and venous capillaries in the difference signal, which is necessary to evaluate retinopathy.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007106774/14A RU2328208C1 (en) | 2007-02-26 | 2007-02-26 | Laser confocal two-wave retinotomograph with frequancy deviation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007106774/14A RU2328208C1 (en) | 2007-02-26 | 2007-02-26 | Laser confocal two-wave retinotomograph with frequancy deviation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2328208C1 true RU2328208C1 (en) | 2008-07-10 |
Family
ID=39680598
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007106774/14A RU2328208C1 (en) | 2007-02-26 | 2007-02-26 | Laser confocal two-wave retinotomograph with frequancy deviation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2328208C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2481056C2 (en) * | 2008-11-10 | 2013-05-10 | Кэнон Кабусики Кайся | Device for image processing, method of image processing, device for capturing tomogram, programme and carrier for programme recording |
| RU2637170C2 (en) * | 2016-05-26 | 2017-11-30 | Илья Дмитриевич Путимцев | Vision training device |
| RU2648221C2 (en) * | 2013-03-15 | 2018-03-22 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Method and ophthalmic device for ensuring visual representations for the user |
| RU2650578C2 (en) * | 2013-03-15 | 2018-04-16 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Ophthalmic devices incorporating photonic elements |
| RU2651058C2 (en) * | 2013-03-15 | 2018-04-18 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Methods and device for manufacturing of ophthalmic devices comprising photonic elements |
| RU2697356C2 (en) * | 2014-04-29 | 2019-08-13 | Тералазе Текнолоджис, Инк. | Device and method of multi-frequency photodynamic therapy |
-
2007
- 2007-02-26 RU RU2007106774/14A patent/RU2328208C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| MASTERS B.R. et al. Heidelberg engineering, HRT II, Appl. Opt., 1994, V.33, P.695-701. * |
| ЕГОРОВ А.Е. и др. Ретинотомограф HRT-II: перспективы использования в офтальмологии. - Российский медицинский журнал, 2002, №3, с.127-129. * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2481056C2 (en) * | 2008-11-10 | 2013-05-10 | Кэнон Кабусики Кайся | Device for image processing, method of image processing, device for capturing tomogram, programme and carrier for programme recording |
| RU2648221C2 (en) * | 2013-03-15 | 2018-03-22 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Method and ophthalmic device for ensuring visual representations for the user |
| RU2650578C2 (en) * | 2013-03-15 | 2018-04-16 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Ophthalmic devices incorporating photonic elements |
| RU2651058C2 (en) * | 2013-03-15 | 2018-04-18 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Methods and device for manufacturing of ophthalmic devices comprising photonic elements |
| RU2697356C2 (en) * | 2014-04-29 | 2019-08-13 | Тералазе Текнолоджис, Инк. | Device and method of multi-frequency photodynamic therapy |
| US10525279B2 (en) | 2014-04-29 | 2020-01-07 | Theralase Technologies, Inc. | Apparatus and method for multiwavelength photodynamic therapy |
| RU2637170C2 (en) * | 2016-05-26 | 2017-11-30 | Илья Дмитриевич Путимцев | Vision training device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Aumann et al. | Optical coherence tomography (OCT): principle and technical realization | |
| JP4654357B2 (en) | Optical interference tomography light generator for biological tissue measurement and optical interference tomography device for biological tissue measurement | |
| Drexler | Ultrahigh-resolution optical coherence tomography | |
| Liu et al. | Photoacoustic imaging of the eye: a mini review | |
| Unterhuber et al. | Advances in broad bandwidth light sources for ultrahigh resolution optical coherence tomography | |
| Makita et al. | Comprehensive in vivo micro-vascular imaging of the human eye by dual-beam-scan Doppler optical coherence angiography | |
| Fujimoto et al. | Introduction to optical coherence tomography | |
| KR101269455B1 (en) | System and method for optical coherence imaging | |
| US6853457B2 (en) | Optical amplification in coherence reflectometry | |
| Hosseinaee et al. | Functional and structural ophthalmic imaging using noncontact multimodal photoacoustic remote sensing microscopy and optical coherence tomography | |
| RU2328208C1 (en) | Laser confocal two-wave retinotomograph with frequancy deviation | |
| Subhash et al. | Optical coherence tomography: technical aspects | |
| Izatt | Optical coherence tomography for medical diagnostics | |
| Sampson | Trends and prospects for optical coherence tomography | |
| Komar et al. | Multimodal instrument for high-sensitivity autofluorescence and spectral optical coherence tomography of the human eye fundus | |
| US20130128277A1 (en) | Arrangement and method for interferometry | |
| Fujimoto et al. | Optical coherence tomography | |
| Corral et al. | Tissue characterization with ballistic photons: counting scattering and/or absorption centres | |
| Drexler¹ et al. | New technology for ultrahigh resolution optical coherence tomography of the retina | |
| Fujimoto et al. | Principles of OCT | |
| Carvalho | Optical coherence tomography layout simulation using MATLAB® | |
| Hosseinaee et al. | Non-contact, in-vivo, functional, and structural ophthalmic imaging using multimodal photoacoustic remote sensing (PARS) microscopy and optical coherence tomography (OCT) | |
| US10682053B2 (en) | Ophthalmic photothermal optical coherence tomography apparatus | |
| Carrion et al. | Comparison of optical coherence tomography profiles for three different wavelengths in the near infrared | |
| Zimnyakov et al. | Laser tomography |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130227 |