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

Историческая справка

Оптическая когерентная томография (ОКТ) как отдельное направление развития диагностических инструментов возникла из работ по низкокогерентной рефлектометрии, приложенных к сложному биологическому объекту – глазу (в первых экспериментах использовался глаз быка [1]).

Возникновением собственного названия ОКТ обязана одноименной статье в журнале «Science» 1991 года [2], с которой традиционно связывают становление технологии – в этой работе впервые была продемонстрирована возможность объединения регистрируемых профилей рассеяния исследуемой среды, получаемых вдоль направления зондирующего луча (А-сканов), в двумерные изображения при сканировании зондирующим лучом вдоль поверхности (В-сканы). В этой же работе были продемонстрированы первые изображения сетчатки, полученные, однако, в режиме ex vivo, что позволило авторам привести для сравнения полученные традиционным образом гистологические изображения.

Первые прижизненные изображения сетчатки глаза человека были получены двумя годами позднее [3, 4]. Доступный в то время уровень развития вычислительной техники не позволял достигать высоких скоростей регистрации и визуализации изображений, для получения одного В-скана в первых ОКТ-установках требовалось до нескольких минут.

Ограниченность средств визуализации, проявившаяся в чрезвычайно узком по современным меркам динамическом диапазоне, обусловила возникновение псевдо-цветовой шкалы, на которой цвет отдельного элемента кодировал логарифмированное значение величины ОКТ сигнала. Эта шкала с незначительными изменениями реализуется во многих современных офтальмологических ОКТ устройствах.

Рисунок 1 – Первое опубликованное прижизненное изображение сетчатки глаза человека. Цитируется по [3]

В дальнейшем ОКТ развивалась как средство неинвазивной диагностики тканей, недоступных для ультразвуковых исследований, в первую очередь – сетчатки глаза человека. Самые ранние попытки коммерциализации технологии можно считать неудачными, поскольку предпринимались преимущественно со стороны разработчиков (Advanced Ophthalmic Diagnostics, США, 1992). Успеху технологии на рынке офтальмологических приборов во многом способствовало вмешательство крупной компании, уже зарекомендовавшей себя в этой сфере – Humphrey Zeiss, США, 1994 [5].

Первый коммерческий прибор ОКТ был выпущен на рынок в 1996 году, однако общая инертность рынка медицинского оборудования, несовершенство устройств (в первую очередь – низкая скорость получения изображений) и недостаточная проработанность клинических методик в течение довольно длительного времени не позволяли говорить о широком внедрении ОКТ в медицинскую практику. Так, по данным [5] к 1999 году было продано около 180 ОКТ-устройств, а к 2001 это количество увеличилось до 400. В целом такая динамика может свидетельствовать о насыщении к тому моменту исследовательского рынка, но не реального клинического сегмента.

Существенный рост заинтересованности клинических специалистов в ОКТ технологии может быть связан с появлением третьего поколения ОКТ-устройств, выпускаемых Humphrey Zeiss, получивших уже собственное узнаваемое имя Stratus OCT, скорость регистрации изображений в котором достигала 400 А-сканов в секунду. За четыре года (с 2002 по 2006) Humphrey Zeiss продал около 6000 устройств этого типа. Возрастание интереса к ОКТ также, безусловно, связано с включением ОКТ в медицинские стандарты (2005).

Рисунок 2 – Внешний вид устройств ОКТ первых трёх поколений. Цитируется по [5]

Однако наибольшее влияние на развитие рынка ОКТ-услуг произвела разработка спектральных методов регистрации ОКТ сигнала. Несмотря на то, что технология была впервые описана в открытых источниках в 1995 году [6], первые успешные лабораторные попытки получения ОКТ изображений были сделаны спустя семь лет [7], а её внедрение в коммерческие устройства затянулось более чем на десятилетие. Одной из основных причин являлось недостаточное развитие вычислительной техники, поскольку расчёт изображения ОКТ на основе спектральных данных требует существенных затрат вычислительной мощности. Кроме того, на скорость регистрации спектральной информации для ОКТ существенное влияние оказывает быстродействие приемной матрицы или перестраиваемого источника, и развитие спектральной ОКТ нуждалось в развитии соответствующих технологий. Среди других причин столь медленного развития технологии авторы [5] отмечают опасения, связанные с чувствительностью спектральных методов к наличию движений исследуемого объекта: при смещении объекта вдоль направления зондирующего луча за время экспозиции всего лишь на одну длину волны интерференционный сигнал усредняется и совершенно исчезает.

Таким образом, спектральные методы ОКТ оказываются работоспособными только при очень высоких (по сравнению с традиционным корреляционным, или, в англоязычной литературе, time-domain методом) скоростях регистрации. Более того, только в 2003 году было, наконец, показано, что именно специфика спектрального приёма обеспечивает существенный выигрыш в чувствительности (известный в отечественной литературе как выигрыш Фелджета в Фурье-спектроскопии) и, следовательно, и в возможной скорости регистрации изображений спектральных методов по сравнению с корреляционными [8-11]. По всей видимости, именно это понимание вкупе с достижением некоторого нижнего технологического порога (появление быстродействующих ЭВМ и фотоприемных матриц со скоростью опороса свыше 10-20 тысяч линий в секунду) послужило толчком для взрывообразного развития исследований в области ОКТ, а также положило начало некоторым компаниям, ориентированным на развитие именно ОКТ технологии, среди которых можно отметить «дочку» Humphrey Zeiss – Optovue, а также Bioptigen (впоследствии приобретенную традиционным конкурентом Zeiss – Leika) и японскую компанию Topcon.

Рисунок 3 – Динамика возникновения ОКТ-ориентированных компаний (синие точки – компании, основанные как стартапы). Цитируется по [5]

  • Micron-resolution ranging of cornea anterior chamber by optical reflectometry. [текст] / Huang D., Wang J., Lin C.P., Puliafito C.A., Fujimoto J.G. // Lasers in Surgery and Medicine 1991. V.11, №.5, P. 419-425.
  • Optical Coherence Tomography. [текст] / Huang D., Swanson E.A., Lin C.P., Schuman J.S., Stinson W.G., Chang W., Hee M.R., Flotte T., Gregory K., Puliafito C.A., Fujimoto J.G. // Science 1991. V.254, P. 1178-1181.
  • In vivo retinal imaging by optical coherence tomography. [текст] / Swanson E.A., Izatt J.A., Hee M.R., Huang D., Lin C.P., Schuman J.S., Puliafito C.A., Fujimoto J.G. // Optics Letters 1993. V.18, P. 1864-1866.
  • In Vivo Optical Coherence Tomography. [текст] / Fercher A.F., Hitzenberger C.K., Drexler W., Kamp G., Sattmann H. // American Journal of Ophthalmology 1993. V.116, №.1, P. 113-114.
  • The Development, Commercialization, and Impact of Optical Coherence Tomography. [текст] / Fujimoto J., Swanson E. // Investigative Ophthalmology & Visual Science 2016. V.57, №.9, P. OCT1-OCT13.
  • Measurement of Intraocular Distances by Backscattering Spectral Interferometry. [текст] / Fercher A.F., Hitzenberger C.K., Kamp G., Elzaiat S.Y. // Optics Communications 1995. V.117, №.1-2, P. 43-48.
  • In vivo human retinal imaging by Fourier domain optical coherence tomography. [текст] / Wojtkowski M., Leitgeb R., Kowalczyk A., Bajraszewski T., Fercher A.F. // Journal of Biomedical Optics 2002. V.7, №.3, P. 457-463.
  • Sensitivity advantage of swept source and Fourier domain optical coherence tomography. [текст] / Choma M.A., Sarunic M.V., Yang C.H., Izatt J.A. // Optics Express 2003. V.11, №.18, P. 2183-2189.
  • Performance of fourier domain vs. time domain optical coherence tomography. [текст] / Leitgeb R., Hitzenberger C.K., Fercher A.F. // Optics Express 2003. V.11, №.8, P. 889-894.
  • Improved signal-to-noise ratio in spectral-domain compared with time-domain optical coherence tomography. [текст] / de Boer J.F., Cense B., Park B.H., Pierce M.C., Tearney G.J., Bouma B.E. // Optics Letters 2003. V.28, №.21, P. 2067-2069.
  • Real-time in vivo imaging by high-speed spectral optical coherence tomography. [текст] / Wojtkowski M., Bajraszewski T., Targowski P., Kowalczyk A. // Optics Letters 2003. V.28, №.19, P. 1745-1747.
Соглашение о предоставлении субсидии № 14.610.21.0014 от 03.10.2017 г., идентификатор 0000000007417P2X0002