Nonostante i numerosi vantaggi discussi finora, ci sono alcuni problemi riguardanti l’implementazione di SD-OCT.
4.8.1 Dispersione
La dispersione è un fenomeno che degrada la qualità di un’immagine OCT e diventa elevata nel caso di impiego di sorgenti a banda larga. Il fenomeno consiste nella scomposizione di un’onda elettromagnetica in un fascio di onde monocromatiche, nel momento in cui questa attraversa un corpo, avente uno specifico indice di rifrazione. La velocità con cui si propaga l’onda dipende dalla lunghezza d’onda λ. Siccome ciascuna onda monocromatica possiede una λ differente, tenderà a viaggiare nel tessuto ad una velocità differente (alcune componenti spettrali di luce a banda larga rallentano l’una rispetto all’altra mentre la luce passa attraverso il mezzo). Poiché diverse lunghezze del percorso ottico corrispondenti a diverse componenti spettrali nel mezzo possono essere compensate con diverse posizioni dello specchio di riferimento, l’ampiezza effettiva della funzione di coerenza aumenta (compromettendo così la risoluzione assiale).
L’effetto netto è l’allargamento dell’impulso sorgente, con conseguente distorsione del segnale e, talvolta, l’impossibilità di rilevare un segnale di interferenza. Questi fattori nel loro insieme producono una riduzione della risoluzione assiale.
Solitamente la dispersione sulla profondità assiale è trascurabile ed è principalmente causata da uno sbilanciamento ottico nei due bracci dell’interferometro. Nel caso di immagini retiniche, la maggior parte della dispersione nasce dal vitreo, che costituisce gran parte della lunghezza dell’occhio. Il metodo correntemente usato per eliminare tale effetto è la compensazione di dispersione. Tale metodo si serve di specchi chirpati, ricoperti da materiale dielettrico; vengono progettati in modo che a diverse lunghezze d’onda generate per dispersione nel materiale corrispondano differenti lunghezze di penetrazione e di conseguenza diversi ritardi di gruppo. Si possono quindi generare strati di copertura aventi
OCT, esiste un altro approccio per compensare la dispersione: via software. Recentemente, due gruppi di ricerca indipendenti all’Harvard Medical School (Boston, MA) e al
Massachussetts Institute of Technology (MIT; Cambridge, MA) hanno discusso numerosi
metodi per compensare la distorsione. Un esempio di immagini ottenute senza correzione di dispersione (A) e con correzione tramite specchio (B) o software (C) sono presentate in Figura 30.
Figura 30: Immagini retiniche con e senza compensazione della distorsione. (A) Immagine della retina senza compensazione della distorsione. (B e C) Immagini della retina con compensazione della distorsione utilizzando una cella d’acqua nel braccio di riferimento e attraverso software, rispettivamente. NFL, strato di fibra nervosa; GCL, strato di gangli; IPL, strato interno plexiforme; INL, strato interno nucleare; OPL, strato plexiforme esterno; ONL, strato nucleare esterno; ELM, membrane sterne di confine; IS/OS, fotorecettore interno e segmento di giunzione esterno; RPE, epitelio retinale pigmentato; CC, corio capillari.
4.8.2 SNR Drop-Off
Movimenti del campione o della sonda possono affievolire il segnale, decrementare la risoluzione assiale e (o) trasversale, e ridurre SNR (SNR Drop-Off), che si manifestano in una distorsione e in una sfocatura dell’immagine.
L’SNR Drop-Off è un fenomeno causato dal non perfetto mantenimento della monocromaticità dell’onda durante l’acquisizione del segnale.
In TD-OCT, il movimento del campione o della sonda influenzano solo i pixel dell’immagine per i quali è stato acquisito il segnale. Se il tempo di acquisizione del segnale per pixel è molto breve, il peggioramento di SNR e della risoluzione spaziale dovuto al movimento può essere trascurato.
Tuttavia, il deterioramento dell’immagine dovuta al movimento nei sistemi SD-OCT, nei quali il segnale è acquisito nel tempo a diverse profondità di interesse nel campione, può essere rilevante.
Il drop-off di SNR nei sistemi SD-OCT è dovuto alla risoluzione finita di lunghezza d’onda durante l’acquisizione del segnale. Nei sistemi SS-OCT, la larghezza di linea associata a ciascun numero d’onda è così piccola che questo fattore può essere trascurato. Il drop-off di SNR nei sistemi SS-OCT è principalmente dovuto alle non linearità nella scansione dei numeri d’onda. Usualmente queste non linearità non sono cospicue nelle swept source, e così questo problema non è prominente e può essere trascurato oltre il range di scansione in profondità.
Nei sistemi SD-OCT con spettrometro, SNR non è lo stesso lungo tutto il range di scansione in profondità. Infatti, scende a mano a mano che la differenza di percorso tra braccio di riferimento e braccio campione aumenta. Il drop-off di SNR può essere descritto come la convoluzione tra la funzione di risoluzione spettrale, che è una funzione reale dell’ampiezza finita dei pixel del dispositivo di foto rivelazione, CCD, e del segnale interferenza nel dominio della frequenza. Nel sistema SD-OCT con spettrometro, il
drop-off di SNR può essere abbastanza serio vicino ai 20dB oltre il range di scansione. Si può
migliorare questo fatto da un lato diminuendo la dimensione dei pixel della camera CCD o muovendo la regione di interesse del campione vicino al punto di uguale lunghezza di percorso. Recentemente, Z. Hu et al.(2005) hanno riportato un miglioramento del drop-off
acquisendo due set di spettri; uno prima e uno dopo lo shift del dispositivo CCD di una distanza pari a metà della dimensione di un pixel.
4.8.3 Segnale simmetrico
Poiché lo spettro acquisito in SD-OCT è una funzione reale, la sua trasformata di Fourier (FT) è simmetrica rispetto al punto in cui i cammini si eguagliano. Questo porta a ridurre il contenuto informativo acquisibile sull’intera scansione di dati. Per ovviare a ciò è necessario costruire un segnale complesso, e quindi ricavare informazioni sulla fase del segnale.
La natura simmetrica dell’FT causa quindi una immagine speculare che limita il range di scansione complessivo in SD-OCT. Il modo per evitare l’immagine speculare e quindi raddoppiare il range di scansione è ottenere il segnale complesso a range totale. Per fare questo, l’informazione di fase del segnale di interferenza deve essere recuperato. Sono stati sviluppati diversi metodi per ottenere questo risultato. Un approccio è il five-frame method, nel quale si costruisce il segnale complesso acquisendo cinque misure consecutive degli spettri presi con uno shift di fase incrementale di π/2. La figura sottostante mostra un’immagine di occhio porcino acquisita con SD-OCT tradizionale e complessa.
Figura 31: Immagini di occhio porcino. (A) Immagine di occhio porcino ottenuta con SD-OCT standard. L’immagine speculare è causata dalla natura simmetrica della trasformata di Fourier (FT) di una funzione reale. (B) Immagine di occhio porcino priva di wrapping grazie all’acquisizione complessa del segnale (neg: negativo; pos: positivo).
Altri metodi includono l’utilizzo di un accoppiatore a fibre ottiche 3x3 nell’interferometro, la traslazione dello specchio di riferimento per introdurre uno shift di fase di 90°, e l’applicazione di un modulatore di fase elettro-ottico per acquisire lo spettro OCT complesso.
5 OPTOELETTRONICA E COMPONENTI OTTICI
In questa sezione ci si soffermerà su alcuni componenti ottici ed elettronici per permettere il confronto delle implementazioni della tecnologia OCT e capire alcuni dei punti di forza o dei limiti di questa. Questi comprendono le sorgenti, le linee di ritardo ottico, l’interferometro, i rivelatori.