Разработка экспериментальных образцов приборов оптической когерентной томографии глаза для последующей организации производства

Современные коммерческие системы ОКТ офтальмологического назначения

На сегодняшний день наиболее значительными игроками рынка ОКТ офтальмологического назначения являются компании Zeiss (Carl Zeiss Meditec, США), Leika (Leika microsystems, США), Heidelberg engineering (США), Optopol (Польша), Topcon и Nidek (Япония).

Американская компания Carl Zeiss Meditec является старейшим разработчиком и изготовителем устройств ОКТ. Первый коммерчески успешный проект Stratus OCT (полное коммерческое название Zeiss Stratus OCT 3000), построенный на платформе корреляционной ОКТ имел быстродействие 400 А-сканов в секунду и продольное разрешение около 10 мкм при глубине зондирования до 2 мм.

Рисунок 1 – Внешний вид корреляционного коммерческого ОКТ устройства Zeiss Stratus OCT 3000 (изображение из официального буклета).

Наиболее актуальная современная версия на базе спектрального принципа ОКТ производства Carl Zeiss Meditec носит название Cirrus (полное коммерческое название Zeiss CIRRUS™ HD-OCT 400/4000/500/5000). Это устройство разработано в 2007 году и выполнено в виде моноблока с монитором, размещаемым непосредственно на корпусе, в более поздних моделях монитор имеет диагональ 19 дюймов (в 4000 серии – 15”), а органы управления лишены проводов.


а

б

Рисунок 2 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Zeiss CIRRUS™ HD-OCT 5000 (a) и адаптеров для переднего сегмента глаза (б) (изображение из официального буклета).

Быстродействие устройства составляет 27-68 тысяч А-сканов в секунду, продольное разрешение около 5 мкм при глубине зондирования до 2 мм. Устройство снабжено функцией автоматического слежения за движением глаза. Изображение глазного дна в «сотых» моделях реализовано за счёт построения ОКТ-карты (технология Live OCT Fundus™), что делает их более бюджетными по сравнению с «тысячными», где для этой цели внедрён сканирующий офтальмоскоп на длине волны 750 нм, что приводит к удорожанию модели примерно на 20%. Во всех устройствах Cirrus реализована функция построения ОКТ изображений переднего отдела глаза человека, для чего используются внешние адаптеры для исследования отдельно роговицы и хрусталика с магнитным креплением.

Более бюджетным вариантом спектральной ОКТ из линейки Carl Zeiss Meditec является Zeiss CIRRUS™ Photo 600/800 – модульное решение 2013 года для диагностики заднего отдела глаза. Роль фундус-камеры в этом устройстве выполняет 5-мегапиксельная ПЗС матрица, обеспечивающая возможность одновременного отображения глазного дна в разных цветах, включая флуоресцентный канал, и получения ОКТ изображения.

Рисунок 3 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Zeiss CIRRUS™ Photo (изображение из официального буклета)

Самой низкой отпускной ценой (около 22 тысяч долларов США) среди устройств Carl Zeiss Meditec характеризуется Zeiss Primus, выпущенный в 2015 году, который позиционируется производителем как офисное ОКТ устройство для частной практики. Радикальное снижение стоимости устройства достигается за счёт отказа от ряда автоматических процедур в пользу привычной офтальмологу ручной регулировки. При этом для построения en-face изображения сетчатки используется конфокальный лазерный сканирующий офтальмоскоп, а наведение на объект осуществляется по изображению глазного дна.

Рисунок 4 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Zeiss Primus 200 (изображение из официального видео )

Американская компания Optuvue является дочерней компанией Humphrey Zeiss, однако реализует самостоятельную линейку ОКТ приборов. Подобно родительской компании, она имеет три базовых типа ОКТ устройств, реализуемых для клинического использования.

Рисунок 5 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Optovue iVUE (изображение c официального сайта )

Наиболее бюджетный вариант, позиционируемый как офисный, имеет коммерческое название Optovue iVUE. Реализованное быстродействие устройства составляет 26 тысяч А-сканов в секунду, продольное разрешение на уровне 5 мкм. Перемещение сканирующей головки и её настройка осуществляется в ручном режиме. Фундус камера не предусмотрена, однако может устанавливаться на общее основание для совместного использования (коммерческое наименование устройства в этом случае iFusion).

Более продвинутый с точки зрения быстродействия и достигнутого диапазона по глубине вариант спектральной ОКТ от Optovue реализуется под коммерческим названием Avanti. Быстродействие прибора составляет до 70 тысяч А-сканов в секунду при глубине просмотра до 3 мм. Однако несмотря на продвинутость модели, сохраняется речное наведение устройства на объект исследования.

Рисунок 6 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Optovue Avanti (изображение c официального сайта )

В производимой компанией линейке продукции есть и аналог цейссовскго моноблока Cirrus HD – iScan. Обладая теми же характеристиками ОКТ составляющей, что и iVUE, устройство выполнено в 90-градусном формате и осуществляет автоматическую настройку на исследуемый объект.


а

б

Рисунок 7 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Optovue iSCAN (изображение c официального сайта ) – а и сменный модуль CAM-L для переднего отдела глаза (цитируется по [1])– б.

Все устройства производства Optovue имеют универсальный внешний интерфейс, позволяющий использовать одни и те же линзовые адаптеры для исследования переднего сегмента глаза. Линзовые адаптеры имеют маркировку «cam-s» и «cam-l» в зависимости от исследуемого сегмента (соответственно, для роговицы и хрусталика).

В пределах каждой серии реализуются несколько модальностей устройства, каждая из которых может быть улучшена до более высокого класса с использованием дополнительных блоков или программного обеспечения.

Премиальный сегмент ОКТ офтальмологического назначения представлен продукцией Heidelberg Engineering. Флагманским продуктом этой фирмы является устройство Spectralis – универсальное устройство для получения ОКТ изображений глаза человека. В зависимости от комплектации, может обеспечивать наблюдение заднего и переднего отделов глаза в различных угловых диапазонах. К настоящему моменту базовая версия содержит спектральный ОКТ модуль, регистрирующий изображения со скоростью до 40 тысяч А-сканов в секунду, однако существует возможность использования модуля OCT-2, демонстрирующего скорость до 85 тысяч А-сканов в секунду. Базовое разрешение по глубине составляет 7 мкм, численным образом оно улучшается до 3.5 мкм.


а

б

Рисунок 8 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Heidelberg Engineering Spectralis (а) и сменные модули (б). (изображение c официального сайта )

Польская компания Optopol Technologies присутствует на рынке ОКТ с 2005 года (сама компания основана в 1992). К настоящему моменту производится два прибора – SOCT Copernicus REVO и REVO NX. Первый прибор является старшей моделью, в нём реализовано разрешение 5 мкм при скорости регистрации 27 тысяч А-сканов в секунду. Более поздняя версия REVO NX выполнена в том же внешнем конструктиве, однако обладает рекордным на данный момент для ОКТ на базе спектрометра быстродействием – 110 тысяч А-сканов в секунду. Устройство выгодно отличает от аналогов полностью автоматизированная процедура обследования (включая переключение между передним/задним отделом глаза и смену исследуемого объекта) и регистрации ОКТ изображений и высокое разрешение в 2,6 мкм, численным образом формируемое из пятимикронного.

Рисунок 9 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства SOCT Copernicus REVO (изображение из официального буклета)

Корпорация Canon представлена на рынке ОКТ оборудования единственной моделью OCT-HS100, разработанной в период сотрудничества с Optopol Technologies (Canon приобрела компанию в 2010 году, однако в 2014 Адам Богдани, основатель Optopol, выкупил польскую часть компании, и она продолжила самостоятельное развитие). Прибор имеет узнаваемые очертания и полностью автоматизированную процедуру регистрации изображения. При этом в устройстве реализована одна из самых высоких скоростей регистрации изображений (70 тысяч А-сканов в секунду) и одно из самых высоких продольных разрешений (на уровне 3 мкм). Однако, в отличии от польской компании, изображение переднего отдела глаза строится с использованием специальной насадки-адаптера ASA-1.


а

б

Рисунок 10 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Canon OCT-HS100 (а) и адаптер для переднего отдела глаза ASA-1 (б). (изображение c официального сайта )

Другая японская компания Nidek представляет на рынке ОКТ два устройства RS-3000 в комплектации Lite и Advanced. Оба устройства реализованы на длине волны 880 нм и имеют быстродействие 53 тысячи А-сканов в секунду. При этом разрешение версии Advanced улучшается от спектрально обусловленного в 7мкм численными методами до 4 мкм (при многократном усреднении).


а

б

Рисунок 11 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Nidek RS-3000 (а) и адаптер для переднего отдела глаза (б). (изображение c официального сайта)

Более дорогой вариант спектрального ОКТ устройства от Nidek известен под коммерческим названием RS-330 Retina Scan Duo™. От старших моделей устройство отличает более удобный пользовательский интерфейс и использование 12-мегапиксельной цветной камеры для отображения глазного дна.

Рисунок 12 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Nidek RS-330 Retina Scan Duo™ (изображение из официального буклета)

В 2009 году появился первый офтальмологический ОКТ прибор китайского производства. На сегодняшний день компания MOPTIM Imaging Technology производит линейку из трёх продуктов. Старшая модель носит название MasterOCT™. Первый из перечисленных приборов позиционируется как устройство, в котором отсутствует необходимость ручной замены выходного оптического элемента при смене режима сканирования между передним и задним отделами глаза. Представленные устройства имеют скорость регистрации изображений до 32 тысяч А-сканов в секунду (Mocean 3000 Plus) и разрешение в продольном направлении на уровне 5 мкм. Несмотря на изначальную ориентированность на I** рынок, в 2015 году компания заявила о начале экспорта своей продукции.


а

б

в

Рисунок 13 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства MOPTIM MasterOCT™ (а), OSE-200 (б) и Mocean 3000/3000 Plus (в). Изображение с официального сайта.

Значительно меньше представлены на рынке приборов ОКТ устройства, построенные на использовании перестраиваемого источника зондирующего излучения. Одно из таких устройств, реализуемое под названием DROCT Triton/Triton Plus японской компанией Topcon, выгодно отличается от перечисленных выше аналогов большей длиной волны зондирующего излучения (1,05 мкм). Во многих работах (например, [2, 3]) приводятся убедительные данные в пользу перехода на более длинноволновое зондирование, что позволяет получать более контрастные и глубокие изображения. Кроме того, излучение с длиной волны выше 900 нм не воспринимается глазом, а значит, глаз не пытатеся в процессе обследования следить за перемещением сканирующего луча. Однако такой переход связан с необходимостью использования более дорогостоящей элементной базы, что, в свою очередь, потенциально является препятствием для широкой коммерциализации длинноволновых устройств. Разработанное Topcon устройство реализует быстродействие на уровне 100 тысяч А-сканов в секунду при продольном разрешении 8 мкм (численными методами улучшаемом до 2.6 мкм.

Рисунок 14 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Topcon DROCT Triton (изображение из официального буклета)

Другой представитель семейства ОКТ на базе перестраиваемого источника имеет германское происхождение и доступен в двух вариантах – Tomey SS1000 и Tomey Casia2. Tomey Gmbh является известным производителем широкого спектра офтальмологического оборудования, включая щелевые лампы, рефрактометры, топографы и прочее. Оба устройства реализованы на длине волны 1310 нм, что позволяет использовать большую мощность зондирующего излучения (до 6 мВт в Casia2). Тем не менее, достигнутая скорость регистрации изображений остаётся довольно скромной – 30 и 50 тысяч А-сканов в секунду для Tomey SS1000 и Tomey Casia2 соответственно. Специфика использования длинноволнового варианта ОКТ приводит к ощутимому поглощению излучения в стекловидном теле, а также негативно сказывается на разрешении устройства – в обоих вариантах оно находится на уровне 10 мкм.


а

б

Рисунок 15 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Topcon Casia SS1000 (а) и Topcon Casia2 (б) (изображение из официального буклета)

В 2009 году компания OPKO получила грант на объединение технологии ОКТ и сканирующего лазерного офтальмоскопа. Впоследствии разработка была передана компании OPTOS, в 2015 году вошедшей в состав корпорации Nikon. Известный под коммерческим названием OCT SLO прибор имеет продольное разрешение на уровне 6 мкм и скорость получения В-сканов 8-32 в секунду. Однако на настоящий момент судьба этого устройства неизвестна, в продаже оно отсутствует и на официальном сайте не индексируется.

В отличии от других производителей, Leika microsystems не позиционирует себя как производителя кабинетных ОКТ систем. Основной продукцией компании являются ОКТ-системы для операционных микроскопов серии Enfocus и мобильные ОКТ устройства Envisu с гибким зондом, позволяющим производить ОКТ обследование животных (Envisu R-Class) пациентов (Envisu С-Class) при любом положении тела. Скорость регистрации ОКТ изображений в устройствах Envisu составляет до 32 тысяч А-сканов в секунду, продольное разрешение на уровне 4 мкм.

Рисунок 16 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства OPTOS OCT SLO (изображение из официального буклета)


а

б

Рисунок 17 – Внешний вид спектрального коммерческого ОКТ устройства Leika Envisu C2300 (а) и внешние линзовык комплексы для различных сегментов глаза (б). Изображение c официального сайта.

Более детальная информация по имеющимся на современном рынке приборам ОКТ офтальмологического назначения представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Современные приборы ОКТ офтальмологического назначения

Произво
дитель
Страна Коммер
ческое название
Описание
длина волны источ
ника излу
чения, нм
быстро
действие, тыс. А-сканов в сек
разрешение точек на А-скан мощность на роговице, мВт фундус
камера
глубина зонди
рования, мм
перед
ний отдел *
продо
льное, мкм
попере
чное, мкм
Carl Zeiss Meditec США Stratus 820 0.4 10 20 1024 <0.75 ПЗС 2 нет
Cirrus HD 500 840 27-68 5 15 1024 0.725 ОКТ 2 E
Cirrus HD 5000 840 27-68 5 15 1024 0.725 СЛО 2 E
Cirrus HD 4000 840 27 5 15 1024 <0.725 ОКТ 2 E
Cirrus HD 4000 840 27 5 15 1024 <0.725 СЛО 2 E
Cirrus photo 840 27 5 15 1024 X ПЗС 5МПикс 2 нет
Primus 200 840 X 5 20 1024 X СЛО 2 нет
Heide
lberg enginee
ring
США Spectralis 870 40 7 14 512 0.75 СЛО 1.8 E
Optos (бывш. OPKO) США OCT SLO 830 8-32 f/s 6 20 0.75 СЛО 2 X
Optovue США iSCAN 840 26 5 15 X X X 2-2.3 E
iVue 840 26 5 15 X <0.75 нет 2-2.3 E
Avanti 840 70 5 15 X <0.75 СЛО 3 E
Optopol Польша Revo NX 830 110 5/2.6 12-18 1024 X X 2.4 I
Copernicus REVO 830 27 5 12-18 X X X 2.4 I
Leika micro
systems
США Envisu C2300 860 32 4 8-12 1024 0.75 X 2.5 E
Canon Япония OCT-HS100 855 70 3 20 1024/512 X СЛО 2 E
Nidek Япония RS-3000 advanced 880 53 7/4 20/3 X X СЛО 2.1 E
RS-3000 lite 880 53 7/4 20/3 X X СЛО 2.1 E
RS330 880 53 7/4 20/3 X X СЛО 2.1 E
Moptim Китай MOcean 3000 SLO OCT 840 18 5 15 X X СЛО 2.1 I
MOcean 3000 Plus 840 32 5 15 X X СЛО 2.1 I
OSE-2000 840 29 5 10 X 0.75 X 2 I
masterOCT X X X X X X X X I
Topcon Япония Triton 1050 100 8/2.6 20 X X ПЗС X E
Tomey Германия Casia SS1000 1310 30 10 30 X <5 X X X
Casia2 1310 50 10 30 X <6 X 13 X
* E – комплект сменных внешних линз
I – внутренний модуль
** Х – нет информации
  • Wei J. (2008) Scanning the Whole Eye with One Instrument. Optometric Management
  • Mooser M., Burri C., Stoller M., Luggen D., Arnold M.P.P., Meier C., Považay B.E.D., Wojtkowski M. Quantitative, Simultaneous & Collinear Eye-Tracked, High Dynamic Range Optical Coherence Tomography at 850 and 1060 nm // Optical Coherence Imaging Techniques and Imaging in Scattering Media II, Munich, 2017/06/25, 2017. V. 10416. P. 104160R
  • Aneesh A., Považay B., Hofer B., Popov S.V., Glittenberg C., Binder S., Drexler W. Multispectral in vivo three-dimensional optical coherence tomography of human skin. // SPIE Proc. 2010. V.15, P. 15.
Соглашение о предоставлении субсидии № 14.610.21.0014 от 03.10.2017 г., идентификатор 0000000007417P2X0002