Увеличение поперечного разрешения метода оптической когерентной томографии путем применения фильтра с конечной импульсной характеристикой и объединения численно перефокусированных изображений

Среди многочисленных методов, улучшающих информативность оптической когерентной томографии (ОКТ), особое место занимают методы, повышающие пространственное разрешение получаемых изображений. Увеличенное разрешение позволяет различать на ОКТ-изображениях большее количество клинически значимых структур, что может повысить диагностическую значимость метода. Поскольку продольное и поперечное разрешение в ОКТ определяются разными физическими принципами, эти задачи можно решать по отдельности.

Цель исследования — разработка метода повышения поперечного разрешения ОКТ путем применения фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтра) и объединения численно перефокусированных изображений.

Результаты. Разработан КИХ-фильтр, осуществляющий перенос фокальной плоскости ОКТ-изображения по данным 17 соседних измерений рассеянного объектом поля. Также разработан метод автоматического синтеза итогового ОКТ-изображения с улучшенным поперечным разрешением по всей исследуемой глубине из серии изображений с различным положением фокальной плоскости. Это позволит установке ОКТ осуществлять сканирование остросфокусированным пучком, что дает возможность получать изображения с улучшенным поперечным разрешением в фокальной плоскости, восстанавливать разрешение во внефокальных областях с помощью численного переноса фокальной плоскости, а также синтезировать итоговое ОКТ-изображение с улучшенным поперечным разрешением по всей исследуемой глубине. Метод опробован на модельных объектах с использованием прибора ОКТ, оперирующего на центральной длине волны 1 мкм в диапазоне 60 нм и осуществляющего сканирование пучком, сфокусированным в пятно диаметром 5 мкм.

Заключение. Предложенный метод численного увеличения поперечного разрешения ОКТ-изображений позволяет получать одно изображение с увеличенным поперечным разрешением, используя лишь ограниченное количество измерений ОКТ, что в перспективе дает возможность создания прибора ОКТ, осуществляющего визуализацию изображений с улучшенным разрешением в режиме реального времени.

1. Adhi M., Duker J.S. Optical coherence tomography — current and future applications. Curr Opin Ophthalmol 2013; 24(3): 213–221, https://doi.org/10.1097/icu.0b013e32835f8bf8.
2. Vakoc B.J., Fukumura D., Jain R.K., Bouma B.E. Cancer imaging by optical coherence tomography: preclinical progress and clinical potential. Nat Rev Cancer 2012; 12(5): 363–368, https://doi.org/10.1038/nrc3235.
3. Gelikonov V.M., Gelikonov G.V. New approach to cross-polarized optical coherence tomography based on orthogonal arbitrarily polarized modes. Laser Phys Lett 2006; 3(9): 445–451, https://doi.org/10.1002/lapl.200610030.
4. Shakhova N.M., Gelikonov V.M., Kamensky V.A., Kuranov R.V., Turchin I.V. Clinical aspects of the endoscopic optical coherence tomography and the ways for improving its diagnostic value. Laser Phys 2002; 12(4): 617–626.
5. Sudheendran N., Syed S.H., Dickinson M.E., Larina I.V., Larin K.V. Speckle variance OCT imaging of the vasculature in live mammalian embryos. Laser Phys Lett 2011; 8(3): 247–252, https://doi.org/10.1002/lapl.201010120.
6. Wang S., Larin K.V., Li J., Vantipalli S., Manapuram R.K., Aglyamov S., Emelianov S., Twa M.D. A focused air-pulse system for optical-coherence-tomography-based measurements of tissue elasticity. Laser Phys Lett 2013; 10(7): 075605, https://doi.org/10.1088/1612-2011/10/7/075605.
7. Gambichler T., Schmid-Wendtner M.H., Plura I., Kampilafkos P., Stücker M., Berking C., Maier T. A multicentre pilot study investigating high-definition optical coherence tomography in the differentiation of cutaneous melanoma and melanocytic naevi. J Eur Acad Dermatol Venereol 2014; 29(3): 537–541, https://doi.org/10.1111/jdv.12621.
8. Erickson-Bhatt S.J., Nolan R.M., Shemonski N.D., Adie S.G., Putney J., Darga D., McCormick D.T., Cittadine A.J., Zysk A.M., Marjanovic M., Chaney E.J., Monroy G.L., South F.A., Cradock K.A., Liu Z.G., Sundaram M., Ray P.S., Boppart S.A. Real-time imaging of the resection bed using a handheld probe to reduce incidence of microscopic positive margins in cancer surgery. Cancer Res 2015; 75(18): 3706–3712, https://doi.org/10.1158/0008-5472.can-15-0464.
9. Schulz-Hildebrandt H., Pieper M., Stehmar C., Ahrens M., Idel C., Wollenberg B., König P., Hüttmann G. Novel endoscope with increased depth of field for imaging human nasal tissue by microscopic optical coherence tomography. Biomed Opt Express 2018; 9(2): 636, https://doi.org/10.1364/boe.9.000636.
10. Verma Y., Divakar Rao K., Mohanty S.K., Gupta P.K. Optical coherence tomography using a tapered single mode fiber tip. Laser Phys Lett 2007; 4(9): 686–689, https://doi.org/10.1002/lapl.200710045.
11. Villiger M., Pache C., Lasser T. Dark-field optical coherence microscopy. Opt Lett 2010; 35(20): 3489, https://doi.org/10.1364/ol.35.003489.
12. Yin B., Chu K.K., Liang C.-P., Singh K., Reddy R., Tearney G.J. μOCT imaging using depth of focus extension by self-imaging wavefront division in a common-path fiber optic probe. Opt Express 2016; 24(5): 5555, https://doi.org/10.1364/oe.24.005555.
13. Aguirre A.D., Zhou C., Lee H.-C., Ahsen O.O., Fujimoto J.G. Optical coherence microscopy. In: Optical coherence tomography. Springer International Publishing; 2015; p. 865–911, https://doi.org/10.1007/978-3-319-06419-2_29.
14. Dubois A., Vabre L., Boccara A.-C., Beaurepaire E. High-resolution full-field optical coherence tomography with a Linnik microscope. Appl Opt 2002; 41(4): 805, https://doi.org/10.1364/ao.41.000805.
15. Qi B., Phillip Himmer A., Maggie Gordon L., Victor Yang X.D., David Dickensheets L., Alex Vitkin I. Dynamic focus control in high-speed optical coherence tomography based on a microelectromechanical mirror. Opt Commun 2004; 232(1–6): 123–128, https://doi.org/10.1016/j.optcom.2004.01.015.
16. Ralston T.S., Adie S.G., Marks D.L., Boppart S.A., Carney P.S. Cross-validation of interferometric synthetic aperture microscopy and optical coherence tomography. Opt Lett 2010; 35(10): 1683, https://doi.org/10.1364/ol.35.001683.
17. Ralston T.S., Marks D.L., Scott Carney P., Boppart S.A. Interferometric synthetic aperture microscopy. Nature Physics 2007; 3(2): 129–134, https://doi.org/10.1038/nphys514.
18. Yasuno Y., Sugisaka J., Sando Y., Nakamura Y., Makita S., Itoh M., Yatagai T. Non-iterative numerical method for laterally superresolving Fourier domain optical coherence tomography. Opt Express 2006; 14(3): 1006, https://doi.org/10.1364/oe.14.001006.
19. Yu L., Rao B., Zhang J., Su J., Wang Q., Guo S., Chen Z. Improved lateral resolution in optical coherence tomography by digital focusing using two-dimensional numerical diffraction method. Opt Express 2007; 15(12): 7634, https://doi.org/10.1364/oe.15.007634.
20. Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Terpelov D.A., Shilyagin P.A., Gelikonov V.M. Digital refocusing for transverse resolution improvement in optical coherence tomography. Laser Phys Lett 2012; 9(11): 826–832, https://doi.org/10.7452/lapl.201210102.
21. Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Terpelov D.A., Shilyagin P.A., Gelikonov V.M. Noniterative method of reconstruction optical coherence tomography images with improved lateral resolution in semitransparent media. Laser Phys Lett 2013; 10(12): 125601, https://doi.org/10.1088/1612-2011/10/12/125601.
22. Moiseev A., Ksenofontov S., Sirotkina M., Kiseleva E., Gorozhantseva M., Shakhova N., Matveev L., Zaitsev V., Matveyev A., Zagaynova E., Gelikonov V., Gladkova N., Vitkin A., Gelikonov G. Optical coherence tomography-based angiography device with real-time angiography B-scans visualization and hand-held probe for everyday clinical use. J Biophotonics 2018; 11(10): e201700292, https://doi.org/10.1002/jbio.201700292.
23. Fonseca E.S.R., Fiadeiro P.T., Pereira M., Pinheiro A. Comparative analysis of autofocus functions in digital in-line phase-shifting holography. Appl Opt 2016; 55(27): 7663, https://doi.org/10.1364/ao.55.007663.

Moiseev A.А., Gelikonov G.V., Ksenofontov S.Y., Shilyagin P.A., Terpelov D.A., Kasatkina I.V., Karashtin D.A., Sovietsky А.А., Gelikonov V.M. Improving the Transverse Resolution of Optical Coherence Tomography with a Finite Impulse Response Filter and a Series of Numerically Refocused Images. Sovremennye tehnologii v medicine 2019; 11(2): 13, https://doi.org/10.17691/stm2019.11.2.02