Versuchsanleitung: Fortgeschrittenenpraktikum der Physik für Biophysiker. Versuch: Optische Kohärenz-Tomographie (OCT)

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1 Versuchsanleitung: Fortgeschrittenenpraktikum der Physik für Biophysiker Versuch: Optische Kohärenz-Tomographie (OCT)

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3 Grundlagen der Optischen Kohärenz-Tomographie (OCT) Bei der Optischen Kohärenz-Tomographie handelt es sich um ein berührungsloses Messverfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik, aber auch in Materialwissenschaften zunehmend Anwendung findet (Für welche Materialien/Fragestellungen eignet sich OCT und auf Grund welcher Eigenschaften der zu untersuchenden Stoffe?). Dabei wird unter anderem unterschieden in Time Domain und Fourier Domain OCT (Was kennzeichnet beide Methoden, was sind Vor- und Nachteile?). Die Eindringtiefe liegt bei etwa 1-3 mm in streuendendem Gewebe bei einer axialen Auflösung von 1-10 µm. Abbildung 1: Auflösung und Eindringverfahren verschiedener Diagnoseverfahren. Das Verfahren beruht auf dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie. Dabei wird die Laufzeit eines Signals mit Hilfe eines Interferometers verglichen. Ein Interferometerarm dient dabei als Referenzarm bekannter optischer Weglänge, der andere wird zum Messen des Signals verwendet. Aus dem sich ergebenden Interferenzmuster von Proben- und Referenzsignal erhält man das Tiefenprofil der Probe. Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines OCTs.

4 Interferenz und Kohärenz: Unter Interferenz versteht man in der Physik die Überlagerung von zwei oder mehr Teilwellen nach dem Superpositionsprinzip. Um das gesamte Wellenfeld in einem Raumpunkt zum Zeitpunkt t zu erhalten, muss man die Amplituden der Teilwellen addieren. Die Gesamtfeldstärke des Wellenfeldes hängt sowohl von den Amplituden, als auch von den Phasen der Teilwellen ab und ist im allgemeinen Fall sowohl zeit- als auch ortsabhängig. Bei gegenseitiger Verstärkung von Teilwellen spricht man von konstruktiver Interferenz, bei Auslöschung von destruktiver Interferenz. Abbildung 3: Konstruktive bzw. destruktive Interferenz. Ein zeitlich stabiles Interferenzmuster beliebiger Teilwellen kann nur dann beobachtet werden, wenn sich ihre Phasendifferenz im Raumpunkt während der Beobachtungsdauer um weniger als ändert. Man spricht dann von zeitlicher Kohärenz. Die maximale Zeitspanne, in der sich die Phasendifferenz zwischen allen in Punkt P überlagerten Teilwellen um maximal ändert, bezeichnet man als Kohärenzzeit. Als Kohärenzlänge versteht man die Strecke, die das Licht während der Kohärenzzeit zurücklegt. Ändert sich hingegen die räumliche Differenz einer beliebigen Teilwelle während der Beobachtungszeit um weniger als, so spricht man von räumlicher Kohärenz.

5 Am Detektor ergibt sich folgendes Signal bei Überlagerung von Proben- und Referenzarm in Abhängigkeit der zeitlichen Differenz zwischen beiden Signalen: : Kohärenzgrad optischer Wegunterschied = Bei zwei Sinuswellen gilt für den optischen Kohärenzgrad: ( ) Auflösungsvermögen Eine Besonderheit der OCT im Vergleich zur konventionellen Lichtmikroskopie ist die Entkopplung der transversalen und der axialen Auflösung. Hierbei wir die transversale Auflösung von der numerischen Apertur der verwendeten Optik begrenzt, wohingegen die axiale Auflösung von der spektralen Breite des verwendeten Lichts abhängig ist (Wie genau ist das zu verstehen? Von welchen Faktoren hängt die axiale Auflösung alles ab? Was ergibt sich daraus für die Eigenschaften der verwendeten Lichtquelle?) Die Versuchsanleitung dient nur dazu eine kurze Einführung in das Thema Optische Kohärenztomographie zu geben und beinhaltet nicht die gesamte für den Versuch benötigte Theorie. Diese soll mit Hilfe der Fragen im Text und der Fragen zur Versuchsvorbereitung unter Verwendung der angegebenen oder auch selbst ausgewählter Literatur erarbeitet werden!

6 Literatur: 1. W. Demtröder, Experimentalphysik 2, Springer-Lehrbuch, Berlin (2004) 2. D. Stifter et al.: Optische Kohärenztomografie und Röntgen- Computertomografie für die Charakterisierung von Kunststoffmaterialsystemen 3. A. Hassenstein et al.: Optische Kohärenztomographie in der Makuladiagnostik 4. S. G. Lipson, Optik, Springer-Lehrbuch, Berlin (1995) 5. Unterlagen im Versuchsordner Fragen zur Versuchsvorbereitung: 1. Erklären Sie die Begriffe Interferenz, Kohärenz, Kohärenzlänge, Kohärenzzeit und Kohärenzgrad! 2. Wie ist die allgemeine Funktionsweise eines Zweistrahlinterferometers? 3. Erklären Sie die Funktionsweise der optischen Kohärenz-Tomographie! 4. Welche Vorteile und Anwendungsgebiete ergeben sich daraus? 5. Wodurch wird die Auflösung bei der Optischen Kohärenztomographie bestimmt? 6. Was ist bei der Auswahl einer Lichtquelle zu beachten (Kohärenz, Wellenlänge, )? 7. Wie funktioniert die Umwandlung des gemessenen Interferenzsignals zum fertigen OCT-Bild?

7 Versuchsdurchführung : 1. Untersuchung selbst ausgewählter biologischer Proben unter Verwendung verschiedener (optimaler) Geräteparameter (Blätter, Insekten, Fingerkuppe, ). Welche Proben sind geeignet und welche nicht? Und warum ist dem so? 2. Systematische Untersuchung des Schichtsystems einer Zwiebel. 3. Was geschieht bei der Untersuchung stark reflektierender Proben (z.b. CDs, Alufolie)? Welche Auswirkungen ergeben sich daraus für die folgenden Messungen? 4. Ausmessen der Größen und Winkeln eines Prüfkörpers (Silizium) mit dünnen Membranen (Probe 1). Darstellung des Ergebnisses mit Skizze. Für die Größenbestimmung der Proben ist der richtige Brechungsindex des vermessenen Materials von Bedeutung. Kann dieser nicht exakt eingestellt werden, muss die zu ermittelnde Größe aus vorhandenen Werten bei bekannten Brechungsindexen approximiert werden. 5. Bestimmen der Größe von Glaskügelchen (Probe 2). Auf eine sinnvolle Probenpräparation achten! 6. Ausmessen der Foliendicke von Luftpolsterfolie (Probe 3). 7. Aufnahme von 3D Bildern geeigneter Proben. 8. Untersuchungen zum Thema Materialwissenschaften: Woran erkennt man eine im inneren beschädigte Probe? 9. Untersuchung einer eigenen Probe an Hand einer sinnvollen Fragestellung. Die Auswahl der Probe sollte unter Berücksichtigung der Vorteile der optischen Kohärenztomographie stattfinden. Es soll ein eigener neuer Versuchsteil entwickelt werden mit Theorie.

8 Hinweise: Für alle Aufgabenteile sollen OCT-Aufnahmen gemacht werden. Außerdem sollen wichtige Geräteparameter und die Vorgehensweise bei der Versuchsdurchführung notiert werden. Ein wichtiges Bewertungsmerkmal des Versuches ist der selbständige und kreative Umgang mit den Versuchsteilen. Eigene Ideen dürfen und sollen jederzeit mit in den Versuch einfließen.