1. СПЕЦКУРС
ОПТИЧЕСКИЙ БИОИМИДЖИНГ
лекция 2
Турчин Илья Викторович
ИПФ РАН, отдел радиофизических методов в медицине
НижГМА, научная лаборатория флуоресцентного биомиджинга НИИ БМТ
E-mail: ilya@ufp.appl.sci-nnov.ru
http://bioimaging.ru/
Тел.: 8(831)4368010
Нижний Новгород 2013

2. Исследование внутренней структуры биотканей оптическими методами
Зондирующее излучение
Спектральный
диапазон
Методы оптического
биоимиджинга
Микроскопия
(контраст - показатель преломления,
флуорофоры)
Глубина исследования
100 -200 микрон
Любой:
400-1200 нм
(от видимого до
ближнего ИК)
Оптическая когерентная томография
(контраст – показатель рассеяния)
1-2 мм
Оптоакустическая томография
2-20 мм
(контраст – показатель поглощения)
Оптическая
диффузионная томография
(контраст - показатели рассеяния и
поглощения),
От нескольких
миллиметров до 10 см
диффузионная флуоресцентная
томография
(контраст - флуорофоры),
глубина
600-1200 нм
(дальнекрасный
– ближний ИК
диапазоны)
700-950 нм
(минимальное
поглощение)

3. Исследование внутренней структуры биотканей оптическими методами
Зондирующее излучение
Спектральный
диапазон
Методы оптического
биоимиджинга
Микроскопия
(контраст - показатель преломления,
флуорофоры)
Глубина исследования
100 -200 микрон
Любой:
400-1200 нм
(от видимого до
ближнего ИК)
Оптическая когерентная томография
(контраст – показатель рассеяния)
1-2 мм
Оптоакустическая томография
2-20 мм
(контраст – показатель поглощения)
Оптическая
диффузионная томография
(контраст - показатели рассеяния и
поглощения),
От нескольких
миллиметров до 10 см
диффузионная флуоресцентная
томография
(контраст - флуорофоры),
глубина
600-1200 нм
(дальнекрасный
– ближний ИК
диапазоны)
700-950 нм
(минимальное
поглощение)

4. Оптическая когерентная томография
Дальнекрасный и ближний инфракрасный диапазон длин волн (650-1300 нм)
в приложениях к медицинской диагностике
• Неинвазивность (при разумных дозах излучения)
•Высокое пространственное разрешение (различные виды
микроскопии)
• Возможность визуализации на глубине (оптическая томография)
• Возможность определения компонентного состава биологических
тканей (использование зондирующего излучения на нескольких
длинах волн)
• Возможность использования оптических контрастов
(специфическое окрашивание)

5. Оптическая когерентная томография (ОКТ)
•
•
•
•
Длина волны – 0.65 - 1.3 мкм
Мощность выходного излучения - 1-3 мВт
Пространственное разрешение – 1-15 мкм
Время получения томограммы – до
видеорежима
ИПФ РАН
a
0.5 mm

6. Формирование двумерного изображения
Поперечное сканирование
Интенсивность обратно
рассеянного излучения
Продольное сканирование
(глубина)
Биоткань

7. Потеря структурности ОКТ изображения –
универсальный признак малигнизации
норма
карцинома
голосовая складка
мочевой пузырь
прямая кишка

8. Применение оптической когерентной томографии
Использование оптического волокна
позволяет проводить исследования
даже в труднодоступных участках

9. Разновидности ОКТ:
Доплеровская ОКТ
(позволяет визуализировать скорость
кровотока)
кровотока)
Оптическая когерентная микроскопия
(позволяет получать изображения биотканей
с большим разрешением)
разрешением)
Спектроскопическая ОКТ
(для каждого диапазона длин волн строятся
отдельные ОКТ-изображения биотканей, затем
ОКТбиотканей,
делается комбинированное изображение,
изображение,
используя сложную цветовую палитру)
палитру)

10. Место ОКТ среди стандартных методов биоимиджинга
Метод
имиджинга
Типичное
разрешение
(микрон)
Глубиа
визуализации
(мм)
Цена
Скорость
Особенности
УЗИ
150
150
$$
Видео
режим
Неинвазивно,
акустический контакт
МРТ
1000
любая
$$$$
Около
часа
Неинвазивно,
бесконтактно
КТ
1000
любая
$$$
Несколько
минут
Ионизир. излучение,
бесконтактно
ОКТ
1-15
1.5
$
Видео
режим
Неинвазивно,
оптический контакт

11. Исследование внутренней структуры биотканей оптическими методами
Зондирующее излучение
Спектральный
диапазон
Методы оптического
биоимиджинга
Микроскопия
(контраст - показатель преломления,
флуорофоры)
Глубина исследования
100 -200 микрон
Любой:
400-1200 нм
(от видимого до
ближнего ИК)
Оптическая когерентная томография
(контраст – показатель рассеяния)
1-2 мм
Оптоакустическая томография
2-20 мм
(контраст – показатель поглощения)
Оптическая диффузионная
томография/спектроскопия
(контраст - показатели рассеяния и
поглощения),
От нескольких
миллиметров до 10 см
диффузионная флуоресцентная
томография
(контраст - флуорофоры),
глубина
600-1200 нм
(дальнекрасный
– ближний ИК
диапазоны)
700-950 нм
(минимальное
поглощение)

12. Оптическая диффузионная томография/спектроскопия
Ближний инфракрасный диапазон длин волн (700-950 нм) в приложениях к
медицинской диагностике
• Неинвазивность (при разумных дозах излучения)
•Высокое пространственное разрешение (различные виды
микроскопии)
• Возможность визуализации на глубине (оптическая томография)
• Возможность определения компонентного состава биологических
тканей (использование зондирующего излучения на нескольких
длинах волн)
• Возможность использования оптических контрастов
(специфическое окрашивание)

13. Оптическая диффузионная томография/спектроскопия
Диагностика низкоконтрастных поглощающих новообразований
Функциональный имиджинг мозга
Диагностика молочной железы
CW
Импульсный
16 сm
Гибридные методы (совмещение с МРТ или КТ)
позволяет получить более высокое разрешение
Hitachi Brain-Machine Interface (2007)

14. Оптическая диффузионная томография/спектроскопия
Численное моделирование траекторий фотонов методом Монте-Карло
n1
зондирующий
световой пучок
R – диффузно
отраженный фотон
биоткань
n2
A – поглощенный
фотон
n1
Параметры исследуемой биоткани
геометрия объекта
µs - коэффициент рассеяния
µa - коэффициент поглощения
p(s,s') - фазовая функция рассеяния
g - фактор анизотропии
n - показатель преломления
T – прошедший фотон

15. Оптическая диффузионная томография/спектроскопия
Численное моделирование в задаче функциональной диагностики мозга
Спектры поглощения окси- и
дезоксигемоглобина
Плотность распределения фотонов для различных
расстояний источник (И) - приемник (П)
И
П
0
10
20
30
40
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
40
60
80
И
0
Зависимость сигнала ОДС от
расстояния между источником и
детектором
0
П
10
20
30
40
-80
-60
-40
-20
0
20
И
0
П
10
20
30
40
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80

16. Ручной оптический сканер для диагностики рака молочной железы
Pham, TH., et al. Review of Scientific Instruments, 71 , 1 – 14, (2000).
Bevilacqua, F., et al. Applied Optics, 39, 6498-6507, (2000).
Tromberg et al. Neoplasia, 2, 26 (2000)
0,1
Вода
µa, мм-1
Жир
0,0
1
HbR
HbOx
0,001
0.0001
650
700
750
800
850
900
Длина волны, нм
950
1000
Компоненты биотканей (окси-, дезоксигемоглобин, жир,
вода) имеют известные спектральные зависимости
показателя поглощения

17. КРОВЕНОСНАЯ
КРОВЕНОСНАЯ
СИСТЕМА
СИСТЕМА
Информация о функциональном состоянии биоткани
[Hb-R]
[Hb-R]
THC = [Hb-R] + [Hb-O2]]
THC = [Hb-R] + [Hb-O2
Кровенаполнение
[Hb-O2]]
[Hb-O2
StO2 =
StO2 =
[Hb-O2]
THC
ТКАНЬ
ТКАНЬ
Оксигенация крови
[H2O]
[H2O]
Показатель
Показатель
рассеяния
рассеяния
Плотность
Плотность
жировой ткани
жировой ткани
http://www.biop.dk/biophot03/Notes/tromberg.htm#Presentation
клетки, коллаген, жир

18. Измерение «оптического индекса»
[H2O], [THC]↑
Жир, StO2↓
И
Д
Д
И
Д
И
Д
И
Д
И
Д
И
И
Поверхность
ткани
Д
Опухоль
100
0.12
Оптический индекс (Норма)l
Оптический индекс (опухоль)
80
StO 2 (%)
60
Норма
Опухоль
40
Гемоглобин (µM)
20
( [ H2 O ] x [THC] ) / ( St O2 x [ Lipid ] )
Оптический индекс
Концентрация жира (%)
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
вода (%)
0
0
1
2
3
4
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Позиция сканера (1.0 cm)
http://www.biop.dk/biophot03/Notes/tromberg.htm#Presentation
0
1
2
3
4
5
6
Позиция сканера
7
8
9
10

19. Контраст опухолевых тканей при различных методах
визуализации
http://www.biop.dk/biophotonics07/School/School.asp

20. Оптическая диффузионная томография
молочной железы
Brian Pogue, Keith Paulsen and coworkers
Near Infrared Imaging Group, Thayer School of Engineering Dartmouth College
http://www.biop.dk/biophotonics07/School/School.asp

21. Гибридные системы: ДОТ+МРТ для диагностики молочной железы
МРТ обеспечивает реконструкцию структуры биотканей,
ДОТ – оптических показателей
http://www.biop.dk/biophotonics07/School/School.asp

22. Контраст объекта (%)
Томография и метод проекций
томография
маммография
Линии соответствуют
минимально детектируемому
контрасту для каждого
размера
Размер объекта (мм)
http://www.biop.dk/biophotonics07/School/School.asp

23. Оптическая диффузионная спектроскопия (ОДС) –
оптическая маммография (метод проекций)
Показатель насыщения
Коэффициент
крови кислородом, %
рассеяния, 1/см
Молочная железа в норме
50
40
30
20
10
0
ИПФ РАН
0
10
20
30
40
40
50
100
Карцинома молочной железы
50
40
30
20
10
0
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
90

24. Оптическая диффузионная спектроскопия (ОДС)
наночастицы как контрастирующие агенты в ОДС
Спектры поглощения и рассеяния
наночастиц золота и кремния
ОДС изображение оптического фантома
биоткани (λ = 802 нм)
без
наночастиц
наночастицы
Type 1(GNp)
Type 1 (GNp): суспензия золотых наночастиц
размером 30-100 нм;
Type 2 (GNp): суспензия золотых наночастиц
размером 30-100 нм с фракцией наностержней длиной
30-50 нм и соотношением длина:ширина равным 3:1
Type 3 (GNr): суспензия золотых наностержней
длиной 30-50 нм и соотношением длина:ширина
наночастицы
равным 3:1;
Type 2(GNp)
Type 4 (Si): суспензия кремниевых наночастиц
размером 50-200 нм

25. Институт прикладной физики РАН, лаборатория биофтоники –
разработка методов оптического биоимиджинга
микроскопия
Оптоакустика
Диффузионная флуоресцентная
томография
Диффузионная
спектроскопия
Ультрамикроскопия
(a)
50
40
30
20
10
0
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
90
(b)