Phasenempfindliche Mehrstrahl-OCT Systeme

Die optische Kohärenztomographie (OCT) wurde vor ca. 20 Jahren als neues bildgebendes Verfahren zur Schnittbildgewinnung in transparenten und durchscheinenden Geweben entwickelt. Das Haupt- Einsatzgebiet der OCT ist die Ophthalmologie; hier hat die OCT die Retinadiagnostik revolutioniert. Seit ihrer Einführung 1991 wurde die OCT mehrfach verbessert und erweitert. Der große Erfolg der OCT in den letzten Jahren beruht auf dem Technologie-Wechsel vom Time Domain Prinzip zum Spectral Domain (SD) Prinzip, das infolge der höheren Messempfindlichkeit wesentlich schneller arbeiten kann. Kommerziell erhältliche SD OCT Geräte haben jedoch noch ein Defizit: ihre Bilder beruhen nur auf der Lichtintensität. Viele biologische Gewebe zeigen aber in intensitätsbasierten Bildern nur geringen Kontrast. Sie können aber andere Eigenschaften des Lichtes verändern, z.B. den Polarisationszustand, die Phase, oder die Frequenz. Zur Messung dieser Eigenschaften benötigt man die Phase des OCT-Signals. Mehrere solcher erweiterten OCT Techniken werden derzeit erforscht, z.B. Doppler OCT zur Blutflussmessung, polarisationsempfindliche (PS) OCT für gewebe- spezifischen Kontrast, etc. Entsprechende experimentelle Aufbauten verwenden derzeit meist nur einen Messstrahl, um das Objekt abzutasten. Dies führt zu mehreren Einschränkungen, z.B. hinsichtlich der Messgeschwindigkeit, möglicher Scanmuster, zugänglicher Phaseninformation. In diesem Projekt sollen Mehrstrahl (MB) OCT Methoden entwickelt und untersucht werden, um die genannten Probleme zu lösen. Z.B. kann die Messgeschwindigkeit durch gleichzeitige Verwendung mehrerer Abtaststrahlen erhöht werden; dies kann die Messzeit für eine 3D Aufnahme auf Sekundenbruchteile reduzieren. Die Kombination der Phaseninformation von zwei oder mehr Abtaststrahlen kann den erfassbaren Bereich der Blutflussgeschwindigkeit im Rahmen der Doppler- OCT erweitern und die Bestimmung des absoluten Flussvektors unabhängig von der Orientierung des Blutgefäßes ermöglichen. WeitereKonzepteverwendenAbtaststrahlen mit verschiedenen Polarisationszuständen oder leicht geneigten Winkeln zur Verbesserung der PS-OCT Bildqualität und zur Reduktion des Speckle-Rauschens. Im Rahmen dieses Projektes sollen verschiedene Konzepte der MB OCT untersucht werden. Dazu werden zwei verschiedene MB OCT Systeme entwickelt, ein Spektrometer-basiertes System bei ~ 840 nm Wellenlänge und ein System basierend auf einem durchstimmbaren Laser bei ~ 1060 nm. Weiters soll ein flexibler Scan-Kopf für unterschiedliche Strahlmuster entwickelt werden. Nach dem Aufbau und erfolgreicher Erprobung der Geräte sollen sie in Pilotversuchen zur Untersuchung zweier wichtiger Augenerkrankungen verwendet werden: der diabetischen Retinopathie und des Glaukoms. Im ersten Fall ist die verbesserte Darstellung von retinalen Kapillargefäßen von besonderem Interesse, im zweiten Fall die absolute Blutflussmessung in retinalen Gefäßen sowie die Messung der Doppelbrechung retinaler Schichten. Die Ergebnisse des Projektes könnten den Weg für eine neue Generation verbesserter OCT Geräte bereiten und längerfristig zu verbesserter Diagnostik okulärer und anderer Erkrankungen führen.

Ziel des Projekts war die Entwicklung verbesserter Methoden der optischen Kohärenz-Tomographie (OCT) für die Netzhautdiagnostik. Die neuen Verfahren sollten in Folge für die Retina-Bildgebung sowie die Messung des retinalen Blutflusses verwendet werden. Die OCT wurde seit Anfang der 1990er Jahre als neues bildgebendes Verfahren zur Schnittbildgewinnung in transparenten und durchscheinenden Geweben entwickelt und mehrfach verbessert. Das Haupt-Einsatzgebiet der OCT ist die Ophthalmologie, wo die OCT die Retinadiagnostik revolutioniert hat. Kommerziell erhältliche OCT Geräte hatten jedoch ein Defizit: ihre Bilder beruhen nur auf der Lichtintensität. Solche Bilder zeigen die Objektstruktur, enthalten aber keine funktionelle Information. Fortgeschrittene OCT Methoden, wie die polarisations-sensitive OCT oder die Doppler-OCT messen weitere Parameter, was zur Kontrastverbesserung sowie zur Aufnahme von funktionellen Bilddaten verwendet werden kann. Entsprechende experimentelle Aufbauten verwenden derzeit meist nur einen Messstrahl, um das Objekt abzutasten. Dies führt zu mehreren Einschränkungen hinsichtlich Messgeschwindigkeit, Kontrast, oder funktioneller Information. Im Rahmen dieses Projektes wurden verbesserte OCT-Techniken, die auf der Verwendung mehrerer OCT Messstrahlen beruhen (MB-OCT) entwickelt: (i) Die Phaseninformation dreier Messstrahlen wurde kombiniert, was eine Messung der absoluten Blutflussgeschwindigkeit in retinalen Blutgefäßen, sowie eine Messung des gesamten Blutflusses durch die Retina ermöglicht. Im Gegensatz zu bisherigen Methoden ist eine Kenntnis der Orientierung des Blutgefäßes dabei nicht nötig. Die Methode ist daher unempfindlich gegen Augenbewegungen während der Messung. Das Verfahren wurde erfolgreich zur Messung des retinalen Blutflusses in gesunden Probanden verwendet, die Präzision betrug ~ 6%. In einer Pilotstudie konnte gezeigt werden, dass der Blutfluss in Patienten mit Glaukom (eine der häufigsten Erblindungsursachen) stark reduziert ist. Die MB OCT ist daher für die Glaukomdiagnostik von großem Interesse. (ii) Eine andere Version der MB Doppler OCT wurde zur Untersuchung von Blutfluss-Pulsationen in retinalen Venen verwendet. Diese Methode könnte zur Messung des Hirndrucks verwendet werden, ein Parameter von großem Interesse für Schädel-Hirn Erkrankungen, der derzeit nur invasiv gemessen werden kann. (iii) Ein anderes Konzept der MB OCT nützt die anisotrope Streuung des Lichtes: manche Schichten der Retina streuen das Licht in verschiedene Richtungen unterschiedlich stark; dies kann zur verbesserten Kontrastierung dieser Schichten verwendet werden. Dieser richtungsabhängige Streukontrast konnte in der Photorezeptorschicht sowie in Schichten, die Nervengewebe enthalten, nachgewiesen werden. Dieses Ergebnis ist für die Diagnose von Erkrankungen, die die Mikrostruktur dieser Gewebe verändern, von Interesse.