Instrumentação para Oftalmologia Instrumentos de diagnóstico para oftalmologia: Lâmpada de Fenda Microscópio especular Microscópio Confocal da Córnea Queratómetro Topógrafo da córnea Tonómetro de aplanação Paquímetro ultrassónico Fluorómetro do Segmento Posterior Autorefractómetro Tomógrafo da Retina Angiógrafo da Retina Tomógrafo de Coerência Óptica (OCT) Analisador de Espessura da Retina (RTA) Analisador de Campos Visuais Câmara de Fundo Com excepção dos paquímetros e dos tonómetros, todos estes equipamento se baseiam na interacção da luz com os tecidos oculares 295 Instrumentação para Oftalmologia São três os fenómenos que determinam a propagação de feixe de luz no interior do globo ocular: reflexão dispersão (scattering) absorção A reflexão óptica determina a proporção da energia do feixe laser que penetra efectivamente no tecido. Na interface entre dois meios transparentes, e considerando incidência segundo a normal, a reflectância R, obtida a partir das equações de Fresnel, é dada pela expressão Ir nt ni R Ii nt ni 2 Ii - irradiância do feixe laser incidente Ir - irradiância do feixe reflectido ni – índice de refracção do meio de incidência nt - índice de refracção do meio de transmissão Para incidências segundo ângulos superiores a 0º a expressão da reflectância é 296 mais complicada e implica a análise do estado de polarização da luz incidente. Instrumentação para Oftalmologia Interface Córnea n=1.376 (43D) Humor Vítreo n=1.336 Reflectância Ar-Córnea 2.504% Córnea-Aquoso 0.022% Aquoso-Cristalino 0.034% Cristlino, córtex-Cristalino, núcleo 0.005% Cristalino, núcleo-Cristalino, córtex 0.005% Cristalino-Vítreo 0.034% Total: 2.604% Ar n=1.0 Humor aquoso n=1.336 Cristalino Córtex n=1.386 Núcleo n =1.406 (15D) 297 Instrumentação para Oftalmologia Banda Comprimento de onda Designação UVC 100 nm - 280 nm Ultravioleta longínquo UVB 280 nm - 315 nm Ultravioleta médio UVA 315 nm - 400 nm Ultravioleta próximo Visível 400 nm - 780 nm IRA 780 nm – 1.4 mm Infravermelho próximo IRB 1.4 mm – 3.0 mm Infravermelho médio IRC 3.0 mm – 10 mm Infravermelho longínquo Regiões do espectro óptico 298 Instrumentação para Oftalmologia A córnea absorve os comprimentos de onda das bandas espectrais UVC, IRB (parcialmente) e IRC Espectro de transmitância e de absorção da córnea humana Thompson KP, Ren QS, Parel JM. Therapeutic and Diagnostic Application of Lasers in Ophthalmology. Proceedings of the IEEE 1992;80:838-860. 299 Lembares A, Hu XH, Kalmus GW. Absorption spectra of corneas in the far ultraviolet region. Invest Ophthalmol Vis Sci 1997;38:1283-1287. Instrumentação para Oftalmologia A radiação UV transmitida pela córnea (UVB e UVA) é filtrada pelo cristalino O cristalino é uma estrutura coerente que contém cerca de 60% de água e 28% de proteínas. As características de transmissão do cristalino variam com a idade: cristalinos jovens: absorção principalmente por água e do triptofano envelhecimento: acumulação de pigmentos fluorescentes 300 Instrumentação para Oftalmologia Dillon J. The Photophysics and Photobiology of the Eye. Journal of Photochemistry and Photobiology B-Biology 1991;10:23-40. Thompson et al., Therapeutic and Diagnostic Application of Lasers in Ophthalmology. Proceedings of the IEEE 1992;80:838-860. Cristalino jovem: absorve UVB e UVA Espécies absorventes: água, triptofano, tirosina Cristalino envelhecido: aumenta a absorção na região do azul: Foto-produtos do triptofano: quinureninas (NFK, 3HK, 3-HKG), b-carbolinas 301 Instrumentação para Oftalmologia Espécies absorventes na retina Nos olhos afáquicos, os comprimentos de onda superiores a 300 nm atingem a retina Melanina (RPE) Hemoglobina (vasos da retina e da coróide) Pigmento macular (luteína e zeaxantina – axónios dos cones e segmentos externos dos fotoreceptores; apenas na mácula) Lipofuscina (RPE) Rodopsina (membrana dos bastonetes) 302 Foto-pigmentos dos cones Instrumentação para Oftalmologia Lâmpada de fenda A lâmpada de fenda, ou mais correctamente biomicroscópio de lâmpada de fenda, é um microscópio de baixa ampliação Ocular Objectiva Amostra 303 Instrumentação para Oftalmologia Lâmpada de fenda Ocular de Ramsden raios paralelos provenientes da ocular f1 f2 2 d f1 3 imagem real raios convergentes provenientes da objectiva 304 Instrumentação para Oftalmologia Lâmpada de fenda É possível alterar a ampliação sem mudar a distância de trabalho distância de trabalho fobj telescópio de Galileu para alterar a ampliação não se forma imagem no plano imagem 305 Instrumentação para Oftalmologia Lâmpada de fenda adicionar uma lente para que a imagem se forme no plano objecto da ocular telescópio astronómico 306 Instrumentação para Oftalmologia Lâmpada de fenda Prisma de Porro 2 prisma rectos rotação da imagem em 1800 desloca a imagem na horizontal F reduz o comprimento do telescópio F 307 Instrumentação para Oftalmologia Lâmpada de fenda 308 Instrumentação para Oftalmologia Lâmpada de fenda sistema de observação binocular 309 Instrumentação para Oftalmologia Lâmpada de fenda Olho Sistema de iluminação fenda vertical de luz Microscópio binocular baixa ampliação (4-30x) Prismas de Porro para encurtar o tubo e produzir imagem direita Os pontos focais da fonte de luz e do microscópio coincidem distância de trabalho elevada (~3 cm) permite a colocação de elementos ópticos adicionais entre o microscópio e o olho 310 Instrumentação para Oftalmologia Queratómetro Medição da potência refractiva da córnea A grandeza medida é o raio de curvatura da superfície anterior da córnea Princípio O tamanho de uma imagem reflectida numa superfície curva depende do raio de curvatura da superfície 311 Instrumentação para Oftalmologia Queratómetro 2ª eq. Newton para sistemas ópticos: h' f h x PV >> VF x d córnea h h' P V ar F C Dioptros esféricos: f f R Logo, d x R R 2 h' 2d h Determina-se o raio de curvatura R medindo o tamanho da imagem Calcula-se a potência refractiva da córnea através dos índices de refracção: P ncornea nar R 312 Instrumentação para Oftalmologia Queratómetro Queratómetro (Oftalmómetro) de Javal-Schiötz 313 Instrumentação para Oftalmologia Queratómetro A Os movimentos oculares fazem com a imagem na córnea se mova tornando difícil a sua medição Usam-se uma técnica de duas imagens O operador movimenta dois objectos, A e B, até que as respectivas imagens estejam em contacto. B Nesta situação, a distância entre os dois objectos é uma medida do raio da córnea 314 Instrumentação para Oftalmologia Queratómetro Desfocada Focada Sinais + sobrepostos: medição da potência dióptrica para o meridiano com orientação paralela aos sinais - Sinais + e - sobrepostos: medição da potência dióptrica para os meridianos paralelos à orientação das miras: diferença entre as leituras de potência 315 dióptrica = astigmatismo Instrumentação para Oftalmologia Queratómetro Limitações Assume forma circular para todo o meridiano da córnea. Curva mais adequada: região prolata de uma elipse Região oblata Região prolata Mede o raio de curvatura apenas para a região central da córnea (cerca de 3 mm de diâmetro) Não quantifica astigmatismo irregular Assume que o centro visual e o apéx da córnea coincidem 316 Instrumentação para Oftalmologia Queratómetro Erros A determinação do raio de curvatura de um meridiano da córnea é feita a partir de uma expressão aproximada A potência refractiva da córnea é calculada considerando somente a superfície anterior da córnea. Para minimizar este erro, usa-se n=1.3375 (índice queratométrico) e não n=1.336 (filme lacrimal) ou n=1.376 (estroma) 317 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Avaliação da curvatura e topografia da superfície anterior da córnea É possível avaliar praticamente toda a superfície da córnea bem como a sua asfericidade Princípio: O tamanho de uma imagem reflectida numa superfície curva depende do raio de curvatura da superfície 318 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Padrão geométrico reflectido na superfície anterior da córnea Sistema óptico para observar a imagem produzida por reflexão Padrão geométrico mais utilizado: círculos concêntricos com cores preta e branca alternadas - disco de Plácido Professor António Plácido da Costa 1880 319 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Astigamtismo anéis ovais Córnea asférica anéis não equidistantes Olho normal anéis igualmente espaçados e simétricos 320 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Enquanto os queratómetros medem a curvatura da córnea apenas em 4 pontos da sua região central, a análise computacional da imagem de um disco de plácido permite medir a curvatura da córnea em milhares de pontos localizados sobre toda a sua superfície 321 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea A imagem reflectida é adquirida por um sensor CCD e armazenada em formato digital para análise por computador A análise da imagem resulta em valores de curvatura obtidos a partir dos dados da imagem Os raios de curvatura são convertidos em valores dióptricos utilizando o indíce queratométrico O resultado final é fornecido na forma de mapas de potência refractiva da córnea 322 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Maioria dos sistemas: córnea iluminada com um disco de Plácido O número de anéis varia entre 15 e 32 Não é possível obter dados para a área englobada pelo anel interior São analisados entre 5000 e 20 000 pontos A maioria dos sistemas calcula apenas o raio de curvatura axial. Alguns sistemas permitem obter raios de curvatura instantâneos (mapas tangenciais) 323 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Excentricidade (e): taxa de variação da curvatura, do apéx para a periferia. Esta taxa não é constante ao longo da córnea. A córnea central é aproximada por uma elipse (e ~ 0.50) A córnea normal aplana nas regiões periféricas. A excentricidade é menor perto do apéx e aumenta perto do limbo A córnea astigmática possui raios de curvatura diferentes para diferentes meridianos Hipérboles Parábola Elipses Circulo Elipses Parábola Hipérboles 324 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Asfericidade A córnea não possui curvatura esférica Quanto mais periférico for um qualquer ponto da superfície anterior da córnea mais afastado do eixo óptico se encontra o seu centro de curvatura O raio de curvatura varia ao longo da superfície anterior da córnea: as córneas normais apresentam maior curvatura no apéx e são mais planas na periferia 325 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Medir o raio de curvatura axial equivale a afirmar que o centro de curvatura reside sempre no eixo óptico da córnea. Tal só seria verdade se a córnea fosse esférica O raio de curvatura axial é uma medida da inclinação da córnea num dado ponto, ao longo de um meridiano com origem no centro da imagem queratoscópica A medição do raio de curvatura instantâneo fornece a interpretação geométrica correcta da curvatura da superfície da córnea 326 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Axial Instantâneo Medida da inclinação local Medida da curvatura local Estimativa útil da forma geral da córnea Melhor detecção de variações locais abruptas da curvatura da córnea. Menos útil como estimador da forma geral da córnea Precisão depende da escolha do eixo de referência e diminui na periferia Resolve córneas asféricas. Maior precisão na periferia 327 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Mapas axial e tangencial de uma córnea saudável 328 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Mapas de elevação Representam a altura medida entre a curvatura da córnea e uma curva de referência definida pelo topógrafo Dois feixes de luz com modulação de amplitude idêntica são projectados sobre a córnea Para cerca de 300 000 pontos da córnea, é determinado o desvio de fase, utilizando técnicas no domínio das frequência (análise de Fourier) AB e CD têm o mesmo raio de curvatura mas possuem diferentes elevações Grande cobertura da superfície anterior da córnea (até 16 mm por 22 mm) Não é necessário interpolar pontos na zona do apéx 329 Instrumentação para Oftalmologia Topografia da córnea Orbscan™ 330 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio especular Utilizado para ver e determinar a densidade das células do endotélio da córnea As diferenças de índice de refracção dão origem a reflexões especulares 331 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio especular lâmpada de halogéneo condensador fenda cone de imersão lente M objectiva ocular de Ramsden detector 332 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio especular endotélio imagem da fenda { reflexões especulares e luz parasita 333 Instrumentação para Oftalmologia Princípio confocal Célula azul em amostra espessa, “vista” pela lente A imagem da célula azul é formada noutra localização Orifício no plano imagem deixa passar toda a luz proveniente da célula azul Orifício bloqueia a maioria da luz vinda da célula vermelha 334 Instrumentação para Oftalmologia Princípio confocal Fonte confocal com a célula azul e o orifício ilumina selectivamente esta célula A fonte confocal ilumina menos a célula vermelha e a maioria da luz proveniente desta célula é bloqueada pelo orifício 335 Instrumentação para Oftalmologia Princípio confocal O orifício só deixa passar luz proveniente de um volume pequeno na amostra A fonte pontual confocal confina a iluminação a um pequeno volume na amostra Rejeição de luz parasita Permite seccionamento ao longo do eixo óptico 336 Instrumentação para Oftalmologia Princípio confocal microscópio especular microscópio especular confocal 337 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal lâmpada Detector M M fenda confocal fenda espelho rotativo objectiva Microscópio confocal de varrimento de Koester amostra 338 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal Outros métodos de varrimento Microscópio confocal de varrimento tandem (TSCM) Microscópio confocal de varrimento laser (SLCM) Microscópio confocal de varrimento de fenda (SSCM) 339 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal r q Microscópio confocal de varrimento tandem Conjunto de orifícios numa placa Orifícios em espirais de Arquimedes r = a + bq 340 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal TSCM 341 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal SLCM 342 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal SSCM 343 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal Imagens de diferentes camadas da córnea 344 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal Estudo das fibras nervosas 345 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal Reconstrução 3D a partir de imagens confocais 346 Instrumentação para Oftalmologia Microscópio confocal Nidek Confoscan SSCM Heidelberg HRT II com o módulo córnea - SLCM *also scans retina Topcon SP-2000p - TSCM 347 Instrumentação para Oftalmologia Oftalmoscópio Para um olho emetrópico (normal quanto à acomodação e refracção) raios paralelos provenientes do infinito focam na retina. Como os trajectos ópticos são reversíveis é fácil concluir que luz proveniente da retina emerge do olho como raios paralelos A imagem da retina está focada para um observador externo não-auxiliado 348 Instrumentação para Oftalmologia Oftalmoscópio Se assim é porque razão não conseguimos observar a retina quando olhamos para os olhos? A luz só pode entrar no olho através da pupila. Normalmente o observador bloqueia a luz. A pupila limita o campo de visão. O observador tem que se colocar muito próximo para ver para além de alguns milímetros. 349 Instrumentação para Oftalmologia Oftalmoscópio Para observar directamente a retina é necessário: Iluminar a retina com uma fonte de luz colocada próximo dos olhos do observador (lembrem-se que um flash fotográfico perto da lente da máquina resulta em olhos vermelhos: olhos em que se vê a imagem da retina) Observar os olhos de muito próximo, dilatando a pupila para aumentar o campo de visão 350 Instrumentação para Oftalmologia Oftalmoscópio directo O oftalmoscópio directo alinha os eixos de observação e de iluminação A retina é observada através de um orifício no espelho A imagem da lâmpada é produzida imediatamente abaixo do orifício do espelho O olho observado é iluminado por um feixe de luz divergente 351 Instrumentação para Oftalmologia Oftalmoscópio directo É possível inserir lentes à frente do orifício do observador para corrigir a ametropia do observador e /ou do paciente O campo de visão é menor para pacientes míopes e maior para hipermétropes 352 Instrumentação para Oftalmologia Oftalmoscópio indirecto Utiliza uma lente biconvexa para produzir uma imagem real e direita da retina, no foco imagem da lente O observador segura a lente à distância de um braço e observa a imagem a uma distância de 40 a 50 cm. A principal vantagem é obter um campo de visão mais largo que permite ver quase toda a retina numa única observação lente paciente observador imagem da retina 353 Instrumentação para Oftalmologia Oftalmoscópio indirecto A iluminação pode ser fornecida por uma lâmpada situada na cabeça do observador A luz passa pela lente e foca à frente da retina assegurando uma iluminação uniforme (na retina) O campo de iluminação é limitado pela pupila do paciente fonte de luz lente paciente observador imagem da retina 354 Instrumentação para Oftalmologia Oftalmoscópio Oftalmoscópio directo Oftalmoscópio indirecto Imagem Direita Invertida (ambos os planos) Campo de Visão 60 250 Ampliação 15 4 Visão binocular impossível possível Influência do erro refractivo do paciente grande pequena O oftalmoscópio indirecto permite melhor iluminação o que é importante em pacientes com opacificações no meio ocular 355 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia da retina Oftalmoscópio confocal de varrimento laser Heidelberg Engineering HRT 356 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia da retina Oftalmoscópio confocal de varrimento laser 357 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia da retina Oftalmoscópio confocal de varrimento laser 358 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia da retina Oftalmoscópio confocal de varrimento laser 359 Instrumentação para Oftalmologia Angiografia da retina Regista-se a passagem de um fluoróforo (fluoresceína, indocianina verde) na circulação retiniana. O fluoróforo é empregue como agente de contraste fluoresceína indocianina verde (ICG) 360 Instrumentação para Oftalmologia Angiografia da retina Fluoresceína Sódica: C20H10O5Na2 Peso molecular: 376 Pico de excitação: 490 nm Pico de emissão: 515 nm fluoresceína 361 Instrumentação para Oftalmologia Angiografia da retina Indocianina Verde Peso molecular: 774.96 Pico de excitação: 805 nm Pico de emissão: 835 nm na corrente sanguínea, 98 a 99% da ICG está ligada a proteínas do plasma intensidade c.d.o. de excitação filtro emissão útil (>60%) 795 nm Indocianina verde 810 nm c.d.o. 362 Instrumentação para Oftalmologia Fluorofotometria do vítreo - Mapas de permeabilidade da retina Utilizam-se as propriedades cinéticas da fluoresceína - difusão para o vítreo através da barreira hemato-retiniana - para aferir a funcionalidade desta barreira Sabe-se que a permeabilidade desta barreira aumenta na fase inicial da retinopatia diabética, ainda antes de serem visíveis quaisquer alterações no fundo ocular 363 AIBILI - CNTM Bernardes et al. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 52, No. 1, Jan 2005 Instrumentação para Oftalmologia Autofluorescência do fundo ocular O contraste é obtido a partir da intensidade de fluorescência endógena do fundo ocular (lipofuscina) Não são utilizados traçadores fluorescentes exógenos 364 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica O primeiro sistema OCT surge em 1991 (MIT, grupo Prof. Fujimoto) Science [0036-8075] HUANG yr: 1991 vol: 254 iss: 5035 pg: 1178 365 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica Primeira imagem OCT (Science, 1991) imagem OCT da retina Resolução: 17 m no ar Science [0036-8075] HUANG yr: 1991 vol: 254 iss: 5035 pg: 1178 366 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica A tomografia de coerência óptica (OCT – Optical Coherence Tomography) é uma técnica para detectar um sinal de luz a diferentes profundidades de uma amostra de tecido. A luz de entrada é dividida num divisor de feixe e a componente transmitida é dirigida por fibra óptica para a amostra de tecido. I E 2 ( A1 cos( kx1 ) A2 cos( kx2 )) I I1 I 22 I1 I 2 cos( n1 x1 n2 x2 ) 367 A F Fercher, W Drexler, C K Hitzenberger, T Lasser, Optical coherence tomography -principles and applications, Reports on progress in physics, 66 (2003) 239-303 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica As diferentes camadas de tecido reflectem luz através da fibra óptica até ao divisor de feixe No divisor de feixe a luz reflectida pela amostra irá interferir com a luz reflectida no espelho colocado na extremidade do braço ajustável (referência) do interferómetro. No entanto só ocorre interferência (ou seja só são produzidas franjas de interferência) se os dois sinais luminosos tiverem percorrido a mesma distância óptica. I I1 I 2 2 I1 I2 cos(k x) x n1 x1 n2 x 2 368 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica Pelo simples ajuste do comprimento do braço de referência é possível detectar o sinal luminoso proveniente de profundidades específicas dentro da amostra e assim construir uma imagem 3D 369 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica Só ocorre interferência se as ondas mantiverem uma relação de fase constante, ou seja se as duas ondas forem coerentes. Uma onda só é coerente numa distância finita denominada comprimento de coerência. Para distâncias superiores ao comprimento de coerência a interferência desaparece Para luz com um comprimento de coerência muito curto quando o espelho está na posição xo só a onda reflectida da profundidade xo contribui para a interferência. A visibilidade das franjas é proporcional à reflectância para essa profundidade 370 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica 371 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica 372 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica Resolução próxima da conseguida com histopatologia Diferenciação da morfologia sub-celular Técnica óptica Não-invasiva Facilmente acoplável a uma vasta gama de instrumentos clínicos Imagiologia em tempo real in situ Orientação de biopsia convencional Investigação da resposta dinâmica a agentes terapêuticos 373 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica Ao contrário do que acontece em microscopia convencional, os mecanismos que regulam a resolução axial e a resolução lateral não estão acoplados A resolução axial depende do comprimento de coerência da fonte e podemos obter elevada resolução axial independentemente das condições de focagem do feixe de luz Para uma fonte de luz com uma distribuição espectral l gaussiana a resolução axial z é dada por: 2 ln2 l 2 z l l é largura a meia altura do espectro de potências da fonte e l é o comprimento de onda central. O comprimento de coerência (Ic) é proporcional a 1/l 374 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica A resolução lateral é igual à obtida em microscopia convencional e depende das propriedades de focagem do feixe. O tamanho mínimo do ponto para o qual um feixe pode ser focado é inversamente proporcional à abertura numérica do feixe. A resolução lateral é dada por: x 4l f d Com d o diâmetro do ponto na lente objectiva e f a distância focal desta lente 375 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica Resolução do OCT: limites 376 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica Influência da largura de banda da fonte na resolução 377 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica Influência da largura de banda da fonte na resolução 378 Instrumentação para Oftalmologia Tomografia de coerência óptica Díodo Super-luminescente (SLD) Largura de banda de 30 nm Resolução axial de 10 µm Laser Ti:Al2O3 Largura de banda de 260 nm Resolução axial de 3 µm Influência da largura de banda da fonte na resolução A F Fercher, W Drexler, C K Hitzenberger, T Lasser, Optical coherence tomography -principles and applications, Reports on progress in physics, 66 (2003) 239-303 379