Tomografía de coherencia óptica. Técnicas avanzadas en

Gaceta
A rt íc u lo c i e nt í f ic o
Tomografía
de coherencia óptica.
Técnicas avanzadas
en aplicaciones
clínicas de la
fisiología ocular
La óptica adaptativa (AO) es una
tecnología creada para la corrección
de aberraciones en tiempo real. Una
vez que las aberraciones del ojo se han
compensado, la resolución teórica que
puede alcanzar en la retina en vivo es
de 2-3 µm. Por lo tanto, la mayoría de
las estructuras morfológicas en la retina
podrían ser observadas con esta técnica.
La tomografía de coherencia óptica (OCT)
se ha beneficiado de esta novedosa técnica
desde 2004. En unos pocos años, han
surgido muchos avances en la combinación
de la AO con OCT. Las imágenes in vivo
obtenidas con esta técnica han dado a
conocer detalles asombrosos del tejido
intraretinal.
La OCT puede usarse para el estudio del
polo anterior del ojo aunque en nuestro
caso nos centraremos en el estudio de la
retina. En este trabajo, se presentarán y se
discutirán tanto la teoría como la práctica
de la fusión de AO con OCT.
Palabras clave
Óptica adaptativa, tomografía de coherencia óptica,
aberración ocular.
Introducción
La OCT es una técnica interferométrica, basada en el
uso de luz de baja coherencia. Esta técnica se usa para
el análisis de las estructuras del interior del ojo y además con la ventaja adicional de que éste se realiza en
vivo. En el caso de la retina, la OCT proporciona una
información relevante para el diagnóstico y la patogénesis de una gran variedad de condiciones asociadas
a la degeneración del tejido de la retina. José María Sánchez González
Coleg. 20.891
Máster en Optometría Avanzada y Ciencias de la Visión por
la Universidad de Valencia.
Técnico Superior en Audiología Protésica.
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FEBRERO 2015
Cambios morfológicos sutiles en la estructura de
la retina pueden ser detectados empleando la OCT.
Debido al carácter interferométrico inherente de
la OCT, un análisis riguroso de la formación de la
imagen en esta modalidad exige considerar algunos
aspectos singulares que normalmente no aparecen
juntos en otras técnicas oftalmoscópicas.
En la OCT, la resolución axial se debe principalmente a la anchura espectral de la fuente de luz.
Además, algunos límites fundamentales se imponen por la electrónica, la potencia de la fuente o
incluso por las propiedades de reflectividad de la
muestra. Todos ellos se manifiestan principalmente por el ruido en la detección.
A continuación, primero se presentará una descripción simplificada de las características ópticas de la
OCT, además de un pequeño recordatorio de la anatomía de la retina. El resto del trabajo está dedicado a
diversos aspectos relativos a la combinación de AO y
la OCT para imágenes de la retina de alta resolución.
El ojo como sistema óptico
formador de imágenes
El ojo humano es un instrumento óptico simple, pero
extremadamente robusto1. Se compone de sólo dos
lentes positivas: la córnea y el cristalino, que producen imágenes reales en la retina, iniciando el proceso
visual. Cuando se compara con los sistemas ópticos
artificiales, a menudo formados por muchas más lentes, el ojo es simple pero está muy bien adaptado a
los requisitos del sistema visual. La córnea es aproximadamente una sección esférica con un radio de 7,8
mm y con un índice de refracción de 1,377. El cristalino se puede considerar a efectos de forma como una
lente biconvexa con un radio de 10,2 mm y 6 mm para
las superficies anterior y posterior, respectivamente.
Las superficies ópticas no son exactamente de forma
esférica y además no están perfectamente alineadas. Una manifestación común de estos hechos es
la presencia de aberraciones oculares. La imagen de
la retina de un punto objeto no es otro punto, sino
que se observa una distribución extensa de luz. Esto
establece el detalle mínimo que se puede obtener en
la retina y esto es el parámetro de resolución visual.
La combinación entre aberraciones de bajo (desenfoque y astigmatismo) y alto (esférica y coma) orden
en un ojo dan como consecuencia diferente calidad
óptica. Las aberraciones interaccionan tanto positiva como negativamente en la formación de la imagen retiniana final. Este hecho lo ilustran los mapas
de aberraciones, de modo que se entiende como una
representación de las aberraciones oculares2. Estos
mapas se miden bien observando el número de micras de aberración obtenido o por los patrones que
forman las aberraciones en el ojo.
Para analizar en profundidad las aplicaciones de
la OCT es necesario hacer un recuerdo anatómico-fisiológico de la retina. La retina sensorial o el
Neuroepitelio (NE) se extiende desde la cabeza del
nervio óptico (donde todas las capas retinianas, excepto la capa de fibras nerviosas, terminan), hasta
la ora serrata, donde se continua con el epitelio ciliar no pigmentado de la pars plana. Su cara interna
está en contacto con el vítreo, mientras que por su
cara externa se encuentra adyacente al epitelio pigmentario retiniano (EPR), al cual se encuentra firmemente adherida en solo dos áreas: el disco óptico
y la ora serrata, siendo la unión débil en el resto, sin
uniones apicales, manteniéndose en contacto por la
presión del vítreo y la fuerza de succión del EPR.
Principios de la Tomografía
de Coherencia Óptica
La OCT se basa en el funcionamiento del Interferómetro de Michelson3 y de una forma simplificada se
puede decir que la interferometría se fundamenta
en un principio análogo a la ecografía ultrasónica,
pero teniendo en cuenta que en vez de usar ondas acústicas utiliza un haz de luz. En la OCT, la
resolución axial está determinada principalmente
por la fuente óptica y por lo tanto, se pueden obtener imágenes de la retina del ojo con al menos
100 veces mejor resolución axial4 que la que puede
conseguirse mediante microscopía confocal aplicada al ojo in vivo. Otra diferencia interesante es que
la interferometría óptica no requiere contacto con
el tejido examinado, pero por otra parte sí requiere
una transparencia suficiente de los medios ópticos
que permita obtener una señal detectable.
El interferómetro de Michelson está compuesto de
cuatro elementos básicos: una fuente de luz, un divisor de haces, un espejo de referencia y un detector.
A continuación se muestra un esquema básico de la
estructura de este aparato.
La figura 1 muestra un diagrama esquemático de un
interferómetro de Michelson. La fuente de luz es un
láser de diodo que emite un haz luminoso de banda
ancha en el espectro infrarrojo. Este haz incidente se
divide en dos haces en el divisor, una porción del haz
(rojo en la figura) llega a la retina (espejo 2) y otra
porción (morado en la figura) se refleja hacia el espejo
de referencia (espejo 1) que se encuentra en una posición conocida en el espacio. El rayo que es incidente
sobre la retina se somete a una reflexión parcial
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Figura 1.
Esquema del interferómetro de Michelson.
Figura 2.
A la izquierda un escáner único en sentido axial y a la derecha el conjunto
de varios A-scans formando una tomografía5.
siempre que encuentre una estructura o superficie
dentro del tejido.
Así, el haz reflejado que viaja de regreso hacia el divisor de haz, contiene múltiples “ecos” a partir de
las interfases dentro del tejido y el haz que incide
sobre el espejo de referencia se refleja de vuelta hacia el divisor de haz. Estos dos haces reflejados se
recombinan en el divisor del haz y la resultante (rojo
y morado) es analizada por el detector y se muestra
en la pantalla.
Dado que la distancia a la que se encuentra el espejo de referencia puede conocerse, podemos localizar
la distancia a la que se encuentra la estructura de la
retina que ha producido un reflejo que ha coincidido
con el reflejo proveniente del espejo de referencia, y
graficando las diferentes distancias a las que se ha
producido el fenómeno de interferencia, se puede
obtener una imagen en sentido axial (A-scan). El registro repetido de múltiples “A-scans” contiguos y su
alineación apropiada permiten construir una imagen
bidimensional de la retina, es decir, la tomografía.
Actualmente, la OCT se puede dividir según el sistema que utilice; en Time Domain (dominio temporal)
(TD-OCT) y Spectral Domain (dominio espectral)
(SD-OCT).
Dominio temporal
La OCT tipo Time-domain6: Es el método original de
la OCT; frecuentemente es comparado con el ecógrafo ultrasónico porque sus principios básicos son
análogos, con TD-OCT usando como medio la luz,
mientras que la ecografía utiliza el sonido. Ambos
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métodos crean una imagen seccional mediante la
medición del tiempo de retardo del eco y la intensidad
reflejada y dispersada de la luz o del sonido.
En este caso en el interferómetro de Michelson, el
brazo de referencia tiene un espejo en movimiento
que puede ser escaneado en la dirección axial. Dado
que la distancia a la que se encuentra el espejo de
referencia puede conocerse, podemos localizar la distancia a la que se encuentra la estructura de la retina
que ha producido un reflejo que ha coincidido con el
reflejo proveniente del espejo de referencia.
Dominio frecuencial
La OCT tipo Spectral-Domain en cambio adquiere
toda la información sin exploración axial a través del
tejido; la obtiene mediante la evaluación del espectro
de la interferencia entre la luz reflejada y un espejo
estacionario.
La diferencia clave es que en un sistema SD-OCT la
longitud del brazo de referencia es fija. Las interferencias se obtienen para diferentes λ simultáneamente y
la luz de salida del interferómetro se analiza con un
espectrómetro7 (de ahí el término dominio espectral).
El espectrómetro resuelve estas interferencias de las
diferentes profundidades simultáneamente usando
una transformada de Fourier (debido a la relación de
Fourier la exploración de la profundidad puede ser
inmediatamente calculada por una transformada de
Fourier (TF) de los espectros adquiridos, sin necesidad de movimiento del brazo de referencia), y por
último la señal es detectada por un fotodiodo seguido
por la digitalización.
La alta reflectividad se suele representar mediante
los colores rojo–blanco (en caso de escala de grises),
e indica que el tejido tiene una gran reflexión, bloqueando la transmisión de la luz. Será característica
de zonas de fibrosis, de sangre, de exudados lipídicos,
del epitelio pigmentario de la retina, de la coriocapilar,
etcétera.
Figura 3.
Tomografía de coherencia óptica de una mácula sana.
Se puede demostrar que el espectro medido de la
salida del interferómetro contiene la misma información que una exploración axial del brazo de referencia. Tenemos en el mercado actual: SD-OCT, SD
OCT-1000 y Cirrus, entre otros.
En la actualidad, el dominio espectral es el que se
impone en todos los aparatos de OCT. El principal
motivo es que la profundidad de la exploración puede calcularse inmediatamente por una transformada
de Fourier de los espectros adquiridos, sin movimiento del brazo de referencia8,9.
Esta característica mejora la velocidad de formación
de imágenes de manera espectacular10, mientras que
las reducidas pérdidas de información durante la exploración hacen mejorar la relación señal a ruido, respecto al dominio temporal11,12. La detección en paralelo
en múltiples longitudes de onda limita el alcance de
detección, mientras que en el caso del dominio espectral se usa el ancho de banda espectral completo y
esto establece una mejor resolución axial13,14.
Interpretación
de la imagen tomográfica
La tomografía de coherencia óptica permite diferenciar estructuras histológicas retinianas y subretinianas usando un haz de luz. Cuando el haz luminoso
llega a las capas tisulares retinianas sufre los fenómenos de absorción, dispersión y transmisión.
La reflectividad de las capas profundas se verá afectada por las propiedades de las capas más superficiales, por lo que se puede afirmar que la OCT de un
tejido es el resultado de la combinación de la reflectividad del tejido y de las propiedades ópticas de los
tejidos más superficiales.
La baja reflectividad se suele representar mediante
los colores azul–negro (en caso de escala de grises),
indica que el tejido posee muy poca reflexión de la luz.
Será característica de las zonas de edema, cavidades
quísticas de contenido seroso, el vítreo, etcétera.
La banda de reflectividad media (verde y amarillo)
corresponde a las capas que van de la membrana limitante interna a la plexiforme externa. Por debajo
se encuentra una banda de baja reflectividad (colores
azules) que corresponde a la capa de los fotorreceptores, y que es debida a que estos, los fotorreceptores,
se disponen de forma paralela al haz de luz incidente.
Inmediatamente por debajo de la capa de los fotorreceptores se sitúa una banda de alta reflectividad
(color rojo) que corresponde al epitelio pigmentario
de la retina y a la coriocapilar.
En la superficie retiniana, cerca del nervio óptico, se
observa una zona de alta reflectividad (color rojo) que
aumenta su grosor conforme se acerca al mismo, corresponde a la capa de fibras nerviosas (axones de las
células ganglionares), y su alta reflectividad se debe a
la disposición perpendicular al haz de luz.
La morfología de las capas retinianas en la OCT se
correlaciona con la morfología de la retina en la región macular, antes expuesta. No olvidemos que los
colores únicamente representan a las propiedades
ópticas de los tejidos, no a estos en sí (distintas estructuras pueden aparecer representados con igual
color); es decir, es una imagen no real aunque lo que
sí representa son las verdaderas dimensiones de la
estructura medida.
Fundamentos
de la óptica adaptativa
Una primera definición sencilla de la óptica adaptativa
podría ser la técnica óptica que permite la medida de
la aberración ópticas y su posterior corrección. A pesar de la simplicidad de la definición anterior, los dos
conceptos fundamentales que sostienen la AO están
claramente presentes. Un primer punto clave es la
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diseño ha de permitir variar la forma de su superficie
de forma que se pueda ajustar a la distorsión instantánea del frente de onda. Esto se consigue generalmente usando materiales piezoeléctricos que deforman su superficie al aplicarles una tensión eléctrica.
Figura 4.
Esquema óptico de los componentes de un sistema
de AO.
medición de las aberraciones15,16. El otro pilar evidente
de la AO es la corrección de aberraciones. El sistema
de AO debe permitir la manipulación controlada del
frente de onda, una vez que se ha estimado.
A continuación vamos a explicar el fundamento físico
en el que se basa la óptica adaptativa en la OCT, analizaremos el funcionamiento paso a paso para facilitar
la comprensión del mismo.
En primer lugar, el haz que llega del interferómetro
de Michelson (el cual hemos explicado anteriormente cómo funciona) antes de alcanzar el detector final,
pasa por una serie de transformaciones que hacen
que el haz aberrado procedente del interferómetro
consiga estar libre de aberraciones y así obtengamos
una imagen más nítida que permita arrojar diagnósticos con una mayor fiabilidad.
El haz incide sobre un espejo (el cual actuara como
elemento corrector más adelante) y a continuación
llega a un divisor de haz que divide la onda en dos
caminos. El primero; hacia el receptor y el segundo
hacia el sensor de frente de ondas. Este sensor trasladará al haz hacia el procesador de datos (donde se
analizará las aberraciones que posee la onda).
A continuación, el controlador de actuadores indicará
al espejo deformable que debe hacer. Dicho de otro
modo, una vez que se conoce el frente de onda el
elemento corrector compensa sus aberraciones. Los
elementos correctores son por lo general espejos. Su
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Se ha de destacar que los espejos se suelen situar antes del divisor de haz que distribuye parte de la energía al sensor de frente de onda y el resto al detector
de la imagen. En este sentido la siguiente figura indica claramente el esquema óptico que sigue los aparatos que disponen de la tecnología de la AO. Podemos
asegurar que esta misma situación es la que observamos en la OCT. Únicamente tenemos que coordinar
ambos sistemas ópticos; el de la OCT (interferómetro
de Michelson) y el de la AO.
A lo largo de los últimos años han existido muchos
avances en lo que se refiere a la AO. Dentro de las
aplicaciones de la AO hay dos que tienen gran importancia: por un lado, la visión a través de una óptica casi perfecta y la aplicación de una imagen de retina de alta resolución. Estos usos de la AO han sido
ampliamente explorados por la comunidad científica
en los últimos años.
Casi todas las técnicas de exploración y de imagen
de la retina se han fusionado con AO en la última
década, proporcionando nuevas perspectivas sobre
el conocimiento actual de la estructura de la retina
in vivo. Las imágenes de fondo de ojo fueron las primeras en beneficiarse de la utilización de la AO. Por
lo que permiten la grabación in vivo del mosaico de
fotorreceptores, incluso teniendo en cuenta la clasificación de los tres tipos de fotorreceptores17.
Además, un sistema de AO utiliza de una serie de
elementos como el corrector, el sensor de frente de
onda, y así sucesivamente que impiden, por cuestiones físicas de las técnicas actuales, acoplar un
sistema de AO sobre el ojo del paciente. En este
sentido la AO no solo funciona para la corrección
de las aberraciones sino que también es útil para la
manipulación del frente de ondas.
La Óptica Adaptativa en la OCT.
Aplicación para la mejora
de la imagen retiniana
La OCT es una técnica de diagnóstico prometedora
con muchas aplicaciones potenciales en la biomedicina. Un avance significativo en la visualización en
Figura 5.
Tomografía de la zona foveal de un ser
humano con la tecnología de AO19.
Figura 6.
Tomografía de una retina parafoveal
con las aberraciones corregidas19.
vivo de capas intrarretinianas se ha logrado recientemente usando una OCT de ultra alta resolución
(UHR OCT)18 para realizar una biopsia óptica no invasiva de la retina19.
Para ver esto de un modo práctico, a continuación se
muestra una imagen en la figura 5 se ilustra el efecto
de corrección de aberración en UHR OCT, que representa la sección transversal de una tomografía de un
ojo humano normal en la región foveal a través de una
línea transversal de 2,8 mm para el caso sin corregir
(Fig. 5 A), así como corregido (Fig. 5 B).
Si nos fijamos bien, podemos observar pequeñas funciones dentro de la célula ganglionar, así como en la
capa plexiforme interna que pudiera corresponder a
pequeños vasos con 12 µm y 22 µm de diámetro estos
vasos están detallados en las imágenes de aumento
doble (Figs. 5C y 5D). En general se observa una mejora
clara del ruido de la imagen, lo cual hace que este tipo
de tecnología se utilice para el diagnóstico de patologías de una manera más rápida, cómoda y fiable.
Para ilustrar nuevamente el hecho de cómo afecta la
AO a la tomografía de coherencia óptica y por consiguiente, la repercusión que está tiene en el diagnóstico de patologías, vamos a mostrar a continuación
una imagen (figura 6) de una tomografía en la región
parafoveal de una retina humana. Con las aberraciones corregidas.
En cuanto a las proporciones de la figura 6A son las
mismas que la figura 5A, no obstante en las figura 6B
se muestra una ampliación doble. En estas imágenes
observamos características intrarretinianas de importante relevancia. Los vasos que están señalados con
flechas (23 µm, 18 µm y 7µm) en la figura 6C, corresponden probablemente a vasos que se encuentran
en la capa de células ganglionares y en la plexiforme
interna de la retina.
Por otro lado, también podemos observar en la tomografía de la figura 6B la coroides (está indicado
con flechas) y además se muestra una ampliación
de 4 aumentos en la figura 6D. Por lo tanto, a la
vista de estas imágenes se demuestra que la tecnología de la AO aplicada a la UHR OCT consigue
mejorar la resolución axial y transversal con respecto a las OCT tradicionales. En concreto se consigue alcanzar una resolución axial de 3 µm y una
resolución transversal de 5–10 µm20.
Una de las patologías interesante para estudiar a fondo con la AO-OCT es el glaucoma. El glaucoma es
una neuropatía óptica progresiva asociada con características funcionales (pérdida del campo visual) y con
defectos estructurales (daño del nervio óptico). La
enfermedad se asocia con la pérdida de células ganglionares de la retina (CGR) en concreto, en la retina
interna y de sus axones en la cabeza del nervio óptico
(CNO). Las fibras nerviosas de la CGR salen del
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ojo en la CNO y su pérdida se asocia con cambios
característicos en la morfología de la CNO.
El factor de riesgo más importante para el glaucoma
es el aumento de la presión intraocular (PIO). De
este modo, la reducción de la PIO se asocia con una
reducción de la progresión de la enfermedad21. La
medición de la PIO, sin embargo, tiene poco valor
en el diagnóstico y en el seguimiento de la progresión de la enfermedad, ya que una porción significativa de los pacientes con glaucoma de ángulo
abierto primario tiene niveles de PIO normales y
también muchos sujetos no desarrollan glaucoma, a pesar de los valores de PIO elevadas. Considerando que la reducción de la PIO ofrece, para
la neuropatía óptica glaucomatosa, una opción de
tratamiento que no está disponible para otras enfermedades neurodegenerativas, la fisiopatología
del glaucoma no se conoce en su totalidad.
La obtención de imágenes de la retina y de la cabeza del nervio óptico ha adquirido cada vez más
importancia en el tratamiento del glaucoma durante los últimos años. En comparación con las
enfermedades neurodegenerativas en el cerebro,
el polo posterior del ojo es más fácilmente accesible para el diagnóstico, siempre que encontremos
medios oculares claros. Recientemente, se ha conocido mejor la fisiopatología del glaucoma22,23 y
los esfuerzos deben centrarse en el estudio de la
CNO, la capa de fibras nerviosas de la retina y las
CGR debido a que la pérdida de CGR se asocia directamente con la característica de pérdida glaucomatosa del campo visual.
En el glaucoma, la AO-OCT ofrece varias herramientas interesantes, incluyendo imágenes de alta
resolución de la lámina cribosa y de estructuras
dentro de la capa de células ganglionares. La Figura
7 muestra un ejemplo de una imagen de la retina
que se puede lograr mediante el uso de AO-OCT
de un volumen determinado de tejido de la retina24.
Para la adquisición de las imágenes, el enfoque se
desplaza sistemáticamente a través de diferentes
profundidades. Se extraen rodajas individuales de
los haces individuales de fibras nerviosas, vasos
capilares y la capa de fotorreceptores25.
Mediante la técnica del AO-OCT pueden identificarse haces de fibras nerviosas individualmente26,
incluso podemos tomar estas medidas en sesiones
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Figura 7.
Imagen de AO-OCT de una retina humana in vivo.
Las imágenes de la derecha son capas individuales de
la retina. Las capas de la retina de arriba a abajo son:
capa de fibras nerviosas (NFL), la capa de células ganglionares (GCL), la capa plexiforme externa (OPL) y la
capa de los segmentos externos de los fotorreceptores
(OS) 29.
repetidas. Esto es muy interesante para el estudio
de la progresión del glaucoma27,28.
En referencia al aspecto del glaucoma existe un
estudio26 realizado sobre el análisis de la capa de
fibras nerviosas de la retina (CFRN) en el que se
plasma una detección temprana de la pérdida de
tejido axonal en la CFNR, esto resulta fundamental
para el tratamiento y la gestión eficaz de las enfermedades como el glaucoma. Este estudio tiene
como objetivo evaluar la capacidad de la tomografía de coherencia óptica de ultra alta resolución con
óptica adaptativa (UHR-AO-OCT) para obtener
imágenes de los haces de axones de la CFNR.
Conclusiones
En este trabajo se ha examinado el impacto de
las aberraciones del ojo en la resolución y el contraste de las imágenes de la OCT. En los apartados siguientes se han abordado los aspectos de
la literatura más reciente, donde se explica cómo
se miden y corrigen las aberraciones oculares. En
particular, como la tecnología de la AO mediante
espejos deformables es capaz de corregir las aberraciones monocromáticas.
Antes de que todos estos avances prometedores se
traduzcan en la práctica clínica dirías, es necesario
analizar varias cuestiones. En general, la realización de la AO en el ojo humano no es tan sencilla
y hay muchas limitaciones técnicas que se deben
superar en el camino. Un hecho evidente es que la
medición de las aberraciones oculares de un modo
correcto es fundamental antes de la corrección de
los mismos.
Además, el coste de la AO, aunque está mostrando una tendencia a la baja, es probablemente lo que
todavía límite su inclusión en dispositivos clínicos comerciales. Es probable que en un futuro próximo los
sistemas comerciales pudieran incorporar esta tecnología para proporcionar imágenes de mejor calidad y
con la mejora de la capacidad de diagnóstico.
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