Optische Kohärenztomografie

  OCT, Abkürzung für Optical Coherence Tomography , ist ein Untersuchungsverfahren, bei dem zeitlich kurzkohärentes Licht mit Hilfe eines Interferometers zur Entfernungsmessung reflektiver Materialien eingesetzt wird. Das entsprechende akustische Verfahren ist die Ultraschalldiagnostik (Sonografie).

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Prinzip

Das Grundprinzip der OCT basiert auf der Weißlichtinterferometrie, dieses Verfahren vergleicht die Laufzeit eines Signals mit Hilfe eines Interferometers (meist Michelson-Interferometer). Dabei wird der eine Arm mit bekannter optischer Weglänge (= Referenzarm des Interferometers) als Referenz zum Messarm herangezogen.

Die Interferenz der Signale (optische Kreuzkorrelation) aus beiden Armen ergibt ein Muster, aus dem man die relative optische Weglänge innerhalb eines A-Scans (einzelnes Tiefensignal) herauslesen kann. In den eindimensionalen Rasterverfahren wird der Strahl dann transversal in einer oder zwei Richtungen geführt, womit sich ein flächiger B-Scan oder ein dreidimensionales Tomogramm (C-Scan) aufnehmen lässt.  

Die herausragende Eigenschaft der OCT ist die Entkoppelung der transversalen von der longitudinalen Auflösung. In der konventionellen Lichtmikroskopie hängt sowohl die axiale Auflösung (in der Tiefe) als auch die transversale (seitliche) Auflösung von der Fokussierung des Lichtstrahles ab. Der Parameter für die Fokussierbarkeit ist die Numerische Apertur. Bei der OCT ist die Auflösung nur durch die Bandbreite des verwendeten Lichtes begrenzt. D.h. hohe Auflösung – kleine Details können aufgelöst werden – wird mit großen Bandbreiten (weiten Spektren) erreicht.

Anwendung

Anwendungsbereiche liegen primär in der Medizin, dort vor allem in der Augenheilkunde, sowie zur frühzeitigen Krebsdiagnose und zur Hautuntersuchung. Hier werden Reflexionen an Grenzflächen (siehe auch Fresnelsche Formeln) von Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen (z. B. zwischen Membranen, Zellschichten, Organgrenzen etc. ...) ausgemessen und so ein dreidimensionales Bild rekonstruiert. Eine solche Rekonstruktion wird als Tomografie bezeichnet.  

Der Haupteinsatz liegt derzeit bei der Untersuchung des Augenhintergrundes, bzw. des hinteren Augenabschnittes, da konkurrierende Techniken wie z.B. das Konfokalmikroskop die feine Schichtstruktur der ca. 250–300 µm dicken Netzhaut aufgrund der geringen Pupillengröße und des großen Abstandes von Hornhaut zur Netzhaut nur unzureichend abbilden können. Andere Verfahren wiederum eignen sich nicht aufgrund ihrer hohen Belastung des menschlichen Auges, bzw. werden vom Glaskörper des Auges zu stark beeinträchtigt (z.B. hochauflösendes Ultraschall). Gerade hier ist das berührungslose Messen ein unschätzbarer Vorteil, da damit Infektionsrisiken und die psychische Belastung weitgehend vermieden werden.

Axiale Auflösung und Bandbreite

Nach anfänglichen Versuchen mit Lichtquellen beschränkter Bandbreite (einige Nanometer) wurden relativ breitbandige Lichtquellen mit hoher räumlicher Kohärenz verfügbar und eingesetzt. Zumeist basierten die Systeme auf Superlumineszenzdioden mit einigen zehn Nanometer Bandbreite (typ. 30 nm, entspricht mehr als 30µm Auflösung.). Erst im Jahre 1997 wurde erfolgreich der Sprung von dieser Standardauflösung bis zur "Ultrahochauflösung" gewagt (>100 nm, entspricht weniger als 3µm axialer Auflösung), die Tomogramme vergleichbar mit histologischen Schnitten ermöglicht.  

Folgende Formel (hergeleitet aus dem Fourierverhältnis zwischen Korrelationsbreite und spektraler Breite, gemessen bei voller Breite auf halber Höhe) erlaubt es bei einem Spektrum gaußscher Form die zugehörige axiale Auflösung zu berechnen:

Δz = axiale Auflösung

λ₀ = zentrale Wellenlänge

Δλ = volle spektrale Bandbreite bei halber Höhe des Spektrums (FWHM) Annahme: gaußförmiges Spektrum

Die Dispersion im menschlichen Gewebe, und vor allem im Glaskörper des Auges zerstört die Kohärenz der beiden Arme. Geschicktes Ausbalancieren der Dispersion in beiden Armen ermöglicht aber ein Restituieren der Kohärenz. Die Präzision der ultrahochauflösenden OCT haben zu einem Umdenken in der Augenheilkunde geführt, da Augenärzte plötzlich Informationen erhalten können, die sie nur aus dem Lehrbuch kannten. Dies ermöglicht bereits kleinste Veränderungen in Frühstadien zu erkennen, was mit anderen Methoden nur schwer oder gar nicht möglich war.

Neueste Entwicklungen der nichtlinearen Optik erlauben Lichtquellen für andere Wellenlängenregionen und mit noch größerer Bandbreite zu entwickeln (siehe Bild).

Abtastrate

In der Zeitdomäne wird das Interferenzsignal auf beliebig kleinen Intervallen abgetastet (engl. sampled). Die Abtastrate hat allerdings keinen Einfluss auf die Auflösung, die Kurve wird deshalb zwar genauer gemessen, die geringste Breite eines Einzelsignals wird aber nicht schmäler. Unterschreitet die Abtastrate allerdings die doppelte Trägerfrequenz des Signals kommt es zu Aliasing-Artefakten, gemäß dem Abtasttheorem.

Messmethoden - Time Domain contra Frequency Domain

Aufgrund der Verknüpfung der Autokorrelation (Kreuzkorrelation eines zeitlichen Signales mit sich selbst) mit dem Frequenzspektrum einer Funktion über die Fourier-Transformation, gilt im optischen Bereich die analoge Beziehung zwischen dem optischen Spektrum und dem Interferenzsignal. Deshalb spricht man einerseits vom Signal in der Zeitdomäne (Time Domain) und andererseits vom Signal in der Frequenzdomäne (Frequency Domain). Einfach ausgedrückt, bedeutet dies, dass man entweder den Referenzarm in der Länge verändert und kontinuierlich die Intensität der Interferenz misst ohne auf das Spektrum Rücksicht zu nehmen (Time Domain) oder die Interferenz der einzelnen spektralen Komponenten erfasst (Frequency Domain). Dieses Verfahren wurde erst durch die Verfügbarkeit von schnellen, empfindlichen Kameras und schnellen Rechnern ermöglicht.   Der Vorteil der FD-Verfahren liegt in der einfachen und schnellen simultanen Messung. Hier kann simultan die vollständige Information über die Tiefe akquiriert werden, ohne ein bewegliches Teil zu benötigen. Dies erhöht die Stabilität und die Geschwindigkeit.Man kann den Unterschied der Verfahren auch darin sehen, dass TD-OCT in jedem Messpunkt die Gesamtleistung des Referenz und des Messarmes aufnehmen muss, dabei aber der Interferenzanteil nur einen extrem kleinen Teil ausmacht, wodurch das Rauschen des Gesamtsignals gegenüber dem Nutzanteil überwiegt. Bei Aufnahme im Frequenzbereich (FD-OCT) wird in jedem spektralen Kanal nur die entsprechende spektrale Leistung als Hintergrund gemessen. Somit gehen alle Störungen aus den anderen spektralen Bereichen verloren. Die notwendige Dynamik des Detektors sinkt mit der Gesamtleistung pro Kanal. Folglich benötigen bei gleicher Sensitivität (=Empfindlickeit zur Messung kleinster Refelktivitäten) Frequenzdomänenmessungen nur einen Bruchteil der Leistung. FD-OCT ist meist sogar insensitiver, aber weitaus effektiver als TD-OCT^[1]! Prinzipiell ist auch eine simultane Messung in der Zeitdomäne möglich, sie erfordert aber nichtlineare Prozesse, die nur bei relativ hohen Lichtintensitäten funktionieren. Dies widerspricht aber der hochsensitiven Messung bei Messsignalleistungen unterhalb des Nanowattbereichs.

Die Fourier-Transformation arbeitet allerdings im komplexen Zahlenraum, deshalb sind beide Verfahren nur gleichwertig, wenn die komplexwertigen Funktionen bekannt sind. Das endgültige Messsignal soll aber den zeitlichen Verlauf der Reflektivität (=Absolutbetrag der Intensität in der Zeit) wiedergeben, weshalb es bei Intensitätsaufnahmen in der Frequenzdomäne und dem Fehlen der komplexwertigen Information zu Doppeldeutigkeiten kommt. Das Ergebnis ist das "Umklappen des Bildes" beim konventionellen FD-Verfahren. Da der imaginäre Anteil einer Funktion aber einem Phasensprung um 90° entspricht, kann man durch zusätzliche Messung mit einem um 90° in der Laufzeit (also einem Viertel der Wellenlänge) verschobenen Referenzarm die komplexwertige Funktion herstellen und damit die vollständige zeitliche Funktion rekonstruieren.

Abtastrate, Linienbreite und Messtiefe

Die Abtastrate in der Frequenzdomäne ist über die Fouriertransformation mit der Messtiefe verknüpft. Eine höhere Abtastrate, bzw. Pixelanzahl eines Detektors innerhalb des gleichen Spektralbereiches erhöht also den Bereich in dem mehrere Objekte eindeutig voneinander unterschieden werden können. Hier gilt aber wieder die selbe Einschränkung wie in der Zeitdomäne: Wenn die Linienbreite, also die geringst mögliche spektrale Einzellinie unterschritten wird, gibt es keine zusätzliche Information beim Überabtasten mehr. (Die Linienbreite ist entweder durch die Lichtquelle beim temporal encoding, oder durch die Abbildungsgeometrie und Streueffekte im Spektrometer beim spatial encoding beschränkt). Eine größere Linienbreite als Abtastdichte führt nach der Fouriertransformation zu einem Abfall der Objektintensität gegen den Rand des Ortsraumes. Beim Unterabtasten wiederum kommt es zur Ausbildung von Mehrfachbildern auch abseits der nullten Ordnung des Ortsbereichs, also dem Bereich, in dessen Mitte der Messarm und der Referenzarm gleich lang sind. Beim Unterabtasten werden folglich Objekte außerhalb des Messbereichs hereingespiegelt.

Alternative Messmethoden

In der letzten Zeit wurden viele unterschiedliche Methoden zur Signalerfassung entwickelt - im Folgenden ein systematischer Überblick über alle möglichen Verfahren. Die holografischen Verfahren sind das räumliche, transversale Pendant zur longitudinalen, zeitlichen Frequenzdomäne der optischen Laufzeit. Es besteht also eine Fourierbeziehung zwischen longitudinaler Laufzeit und zeitlicher Frequenz, sowie zwischen transversaler Auslenkung und transversaler Ortsfrequenz. Prinzipiell unterscheidet man zwei Untergruppen, bei denen einerseits das Signal zeitlich kodiert wird (time encoded), also sequentiell aufgenommen wird, oder räumlich kodiert (spatially encoded), also räumlich aufgespalten, aber simultan aufgezeichnet wird. Oft werden unsystematische Bezeichnungen wie "Fourier Domain OCT" oder "spectral OCT" verwendet, die aber meist verwirrend (Verwechslung mit spectroscopic OCT und ungenau - die Frequenz steht mit der Zeit in Korrelation, nicht die Wellenlänge) oder manchmal sinnentleert sind (es existiert keine Fourier Domäne), sie sind in der Tabelle unten dennoch zur Orientierung als alternative Bezeichnungen angegeben.

Die Verfahren unterscheiden sich in ihrer Abbildungsqualität und Anwendbarkeit, bedingt durch die Verwendung verschiedener Komponenten. Speziell die FD-Verfahren haben den Vorteil kein Licht zu vergeuden und besitzen eine vielfach höhere Empfindlichkeit. Das Ziel ist eine hohe Sensitivität, bei Einsatz möglichst weniger beweglicher Komponenten und damit eine hohe Geschwindigkeit (z.B. 3D-teFD und holographische Verfahren). Andererseits ist die Phasenkohärenz besser bei den potenziell langsameren Verfahren. Darüberhinaus kommt es auf die Ausrichtung der Rastermethode und deren Rasterdichte an - so wird in geschichteten biologischen Geweben üblicherweise eine hohe Rasterdichte im Tiefenquerschnitt gewünscht, die von den schnellen, einfachen on-face Methoden nur schwer geliefert wird.

Erweiterungen

Zusätzlich zur rein topografischen Information können weitere Daten aus dem Ursprungssignal ausgewertet werden. So kann über Messung mehrerer aufeinanderfolgender Tomogramme an der gleichen Stelle die lokale Dopplerverschiebung zur Geschwindigkeitsmessung herangezogen werden (Doppler OCT). Weiters können verschiedene Materialeigenschaften wie Streuung, Absorption, Polarisationveränderung (polarisation sensitive OCT) und Dispersion ermittelt und dargestellt werden. Darüberhinaus versucht man Gewebe zu markieren oder nur selektiv nach bestimmten Molekülen zu durchsuchen (molecular contrast OCT).

Vorteile

Der große technologische Vorteil der OCT ist die Entkopplung der Tiefenauflösung von der transversalen Auflösung. Im Gegensatz zur Mikroskopie kann dadurch die dreidimensionale Struktur des zu untersuchenden Gegenstandes erfasst werden. Die rein reflektive und damit berührungslose Messung erlaubt den Wegfall der in der Mikroskopie angewandten Dünnschnitte, wodurch das Verfahren mikroskopische Bilder im lebenden Gewebe (in vivo) erlaubt.

Aufgrund der hohen Selektivität des Wirkungsprinzipes können sehr kleine Signale (unterhalb von Nanowatt) detektiert und einer bestimmten Tiefe zugeordnet werden,bei geringen Eingangsleistungen. Damit eignet sich dieses Verfahren auch gut um lichtempfindliche Gewebe zu untersuchen.

Der Einsatz von OCT wird durch die wellenlängenabhängige Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung in das Untersuchungsobjekt sowie durch die bandbreitenabhängige Auflösung beschränkt. Hochentwickelte Breitband-Laser ermöglichen seit 1996 (Nature – April 2001 Volume 7 Number 4 pp. 502–507) die Entwicklung der UHR-OCT (UltraHigh Resolution OCT), die die Tiefenauflösung von zig Mikrometern (µm) bis zu Bruchteilen von Mikrometern vorangetrieben hat. Subzelluläre Strukturen in menschlichen Krebszellen können auf diese Weise dargestellt werden.

Ähnliche Verfahren

OCT ist verwandt mit anderen interferometrischen profilgebenden Verfahren (sie erlauben allerdings nur die Darstellung der Oberfläche) wie der Holografie und dem optischen Kohärenzradar, welches zur hochpräzisen dreidimensionalen Darstellung von Oberflächen im Flugzeugbau und der Autoindustrie dient.

Ausblick

OCT ist ein relativ junges Verfahren (ursprünglich entwickelt in den späten 80'er Jahren des 20. Jahrhunderts) und beginnt sich derzeit auf verschiedenen Gebieten zu etablieren. Auch sind noch nicht alle technischen Möglichkeiten ausgeschöpft. Die geringe Belastung des Untersuchungsobjekts, die hohe Auflösung und zunehmende Geschwindigkeit machen das Verfahren extrem attraktiv. Neue Lichtquellen, Detektoren und Scanner werden es künftig erlauben hochaufgelöste dreidimensionale Mikroskopie am Lebenden in Videogeschwindigkeit durchzuführen. Die Datenmenge für solche Aufnahmen hoher Qualität würde einige Gigavoxel pro Sekunde erreichen - derzeitige OCT Verfahren erreichen bis zu 250 Megavoxel pro Sekunde, wobei der Stand im Jahre 2000 noch unterhalb von 100 Kilovoxeln/s gelegen ist.

Siehe auch

• Mikroskop
• Lichtmikroskopie
• Weißlichtinterferometer

Referenzen

1. ↑ B. Liu, and M. E. Brezinski, "Theoretical and practical considerations on detection performance of time domain, Fourier domain, and swept source optical coherence tomography," J Biomed Opt 12, 044007 (2007)