Optische Kohärenztomographie (OCT) Alexander Bielke (Optik-Scheinseminar)

Optische Kohärenztomographie (OCT) Alexander Bielke 03.12.2008 (Optik-Scheinseminar)

Motivation Oberflächensensoren vielfach vorhanden auch Tiefenmessung möglich? Schichtdickenmessung Hautkrebs Glaukom (Sehnerverkrankung) Herausforderung: in vivo kurze Messzeiten Abbildung entnommen aus: http://www.med.unimarburg.de/stpg/allgemein/klinaktuell/nr24/hautkrebs.html 2

1. Motivation 2. Funktionsweise OCT 3. Signalauswertung 4. Ergebnisverbesserungen 5. Messaufbau & Beispiele

Kohärenz / Michelson-Interferometer Optische Kohärenztomographie Photodiode Kohärenz = feste Phasenbeziehung hier zeitliche wichtig, siehe Michelsoninterferometer BS Δz Strahlaufteilung durch Strahlteiler Interferenz der beiden Teilwellen Lichtquelle Objekt Objekt I konstruktiv Referenzspiegel 0 Δz destruktiv Kohärenzlänge: maximaler Laufzeitunterschied zweier Teilwellen l c ~ 1/ spektrale Breite der LQ 2Δz > l c 5

TD-OCT TD = Zeitdomäne feste Objektebene vielschichtiges Objekt Durchfahren aller Ebenen mit Referenzspiegel Schichtenaufnahme eines Oberflächenpunktes (zeitabhängige Aufnahme) Photodiode Lichtquelle (schmalbandig) BS z=0 z 0 z 1 z 2 vielschichtige Objekt 0 Intensität Δz Referenzspiegel 0 z z(t) z 6

TD-OCT vs. FD-OCT TD: Zeitdomäne - Schichtenaufnahme durch Änderung der Referenzarmlänge - Signal wird verschenkt nicht informationseffizient - Lange Dauer der Messung in vivo - Messungen verwackelt FD: Fourierdomäne - Erfassung der Interferenzen einzelner spektraler Komponenten - Signal wird voll ausgenutzt - Signal aller Schichten gleichzeitig (im Fourierspektrum) - in vivo - Aufnahmen möglich 7

(FD-)OCT FD = Fourierdomäne fester Referenzspiegel breitbandige Lichtquelle (kurze Kohärenzlänge) Schichtenaufnahme eines Oberflächenpunktes (Single-Shot-Aufnahme) Photodiodenzeile Spektrometer z=0 z 0 z 1 z 2 Intensität breitbandige Lichtquelle vielschichtiges Objekt Referenzspiegel k 8

Müllersche Interferenzstreifen Δz I I I I(Δz 2 ) λ I(Δz 1 ) I(Δz 0 ) λ λ Maxima 0 λ λ λ 9

Müllersche Interferenzstreifen Problem: Chirp Lösung: Transformation von Wellenlänge nach Wellenzahl k» 1 Vorteil: Abstand über FT mit Wellenzahl berechenbar Abbildungen der Dipl.-Arbeit M.C. Knauer entnommen (Signalverarbeitung und neue Anwendungsgebiete des Spektralradars, 1999) 10

Reflexion mehrerer Schichten Jede reflektierende Schicht liefert eine andere Signalperiode Die aufsummierten Signalperioden werden mit der Photodiodenzeile detektiert I(N) = Summe Signalperioden I(k) Photodiodenzeile Diodennummer N Fouriertransformation k Spektrometer a(z) z=0 z 0 z 1 z 2 breitbandige Lichtquelle vielschichtiges Objekt Referenzspiegel z 0 z z 11

Spiegel als Objekt Intensitätsspektrum I(k): I(k) = a s(k)e ik2z R {z R +a(z } 0 )s(k)e ik2z 0 {z } Referenz Objekt 2 a(z 0 ) s(k) z R/0 k Reflektivität an der Objektoberfläche spektrale Amplitudenverteilung der Lichtquelle Weglängen (Referenz-/Objektarm) Wellenzahl 2 3 6 I(k) = S(k) 4 I R + I {z 0 +2 p 7 I } R I 0 cos(2kz 0 ) 5 {z } inkoharenter Unt ergrund K osinusmodulation ausmultiplizieren S(k) = s(k) 2 I 0 = a 0 2 I R = a R 2 spektrale Intensitätsverteilung Intensität Objektarm Intensität Referenzarm Fouriertransformation: e I(ez) = e S(ez) - 2 6 4 (I R +I 0 )±(ez) {z } inkoharent er Untergrund + p ³ z I R I 0 ±(ez 0 ¼ )+±(ez+ z ) 0 7 {z ¼ 5 } Objektabstand 3 13

echter Volumenstreuer Streuung aus allen Objekttiefen I(k) = S(k) a R +a(z 0 )e ik 2z 0 I(k) = S(k) a R +a(z 0 )e ik 2z 0 +a(z 1 )e ik 2z 1 I(k) = S(k) a R +a(z 0 )e ik 2z 0 +a(z 1 )e ik 2z 1 +a(z 2 )e ik 2z 2 2 2 2 optischer Weg 1X I(k) = S(k) + ar z= 0 a(z)e ik 2z kontinuierlicher Übergang I(k) = S(k) + ar Z 1 0 ausmultiplizieren 2 a(z)e ik l( z) dz 2 z=0 z 0 z Z 1 0 cos(! t + ' )dt h I(k) = S(k) I R + ^A(z) i + AC Fouriertransformation e I(ez) = e S(ez) - h I R ±(ez) + ^A(ez) + AC f i - Überlagerung vieler Kosinusschwingungen - klassische Fourierinformationen 14

Messsignal Intensitätsverteilung nach FT e I(ez) = e S(ez) - h I R ±(ez) + ^A(ez) + AC f i es(ez) - I R ±(ez) es(ez) - ^A(ez) es(ez) - AC f Lichtquellenterm Signalterm Autokorrelationsterm Tiefeninformationen Störender Anteil der Lichtquelle im Signalteil werden bei der Auswertung eliminiert Abbildungen der Dipl.-Arbeit M.C. Knauer entnommen (Signalverarbeitung und neue Anwendungsgebiete des Spektralradars, 1999) 15

Messbereich nach dem Abtasttheorem gilt: f Signal < f Nyquist = 1 2 f Abtast die maximale Messtiefe ergibt sich zu: z max = 2 N 4 längere Signalperiode Photodioden kürzere Signalperiode Beispiel für =850nm, Δλ=50nm, N Dioden = 1024: Luft: z max = 3,6mm Haut: z max = 2,5mm N 16

Tiefenauflösung maximale Messtiefe: z max = 2 N 4 kleinste noch aufzulösende Strukturen: ±z = z max N=2 = 2 2 Beispiel Haut: δz = 4,9µm N Fazit II: breites Spektrum (großes Δλ) feine Tiefenauflösung (δz) 17

Fehlerreduktion Spektrum entfernen e I(ez) = e S(ez) - h I R ±(ez) + ^A(ez) + AC f i Ziel: Spektralen Anteil im Messsignal entfernen Lösung: Division des Signals durch LQ-Spektrum (vor FT) Schwierigkeit: Aufnahme des LQ-Spektrums nötig Stabilität der LQ nötig Gleichanteil abziehen Ziel: Inkohärenten Untergrund entfernen Lösung: Bildung des Mittelwertes über I(k) abziehen Lichtabfall reduzieren Problem: Exponentieller Abfall der Streuamplitude (Lambert-Beer schen Gesetz) Lösung: Streckung der Daten mit Exponentialfit Abbildungen der Dipl.-Arbeit M.C. Knauer entnommen (Signalverarbeitung und neue Anwendungsgebiete des Spektralradars, 1999) 19

Filter Streifenfilter Problem: vereinzelt A-Scans dunkler als Umgebung Lösung: Anhebung der Bildzeile Mittelwertfilter Problem: Starke Schwankungen des Rauschens Lösung: Rauschen herausmitteln Details verschmieren 20

Versuchsaufbau Photodiodenzeile Spektrometer z=0 z 0 z 1 z 2 breitbandige Lichtquelle vielschichtiges Objekt Referenzspiegel Abbildungen der Dipl.-Arbeit M.C. Knauer entnommen (Signalverarbeitung und neue Anwendungsgebiete des Spektralradars, 1999) 22

Lichtquelle SLD: Laserdiode mit entspiegelten Resonator kürzere Kohärenzlänge, breiteres Spektrum Breite im Bereich 6-100nm (Superlum) (Laser bei wenigen pm) λ=650nm, Δλ =6nm λ=840nm, Δλ=50nm Abbildungen entnommen aus: Superlum Diodes, Ltd., http://www.superlumdiodes.com 23

Messung A-Scan: Punktaufnahme in Tiefe B-Scan: Zusammengesetzte Punktaufnahmen = Schnittbild N Scans A-Scan B-Scan N dioden 24

Fingernagel Abbildungen der Dipl.-Arbeit M.C. Knauer entnommen (Signalverarbeitung und neue Anwendungsgebiete des Spektralradars, 1999) 25

Cirrus von Zeiss Abbildungen entnommen aus: Cirrus HD-OCT High-Definition Spectral Domain Imaging, http://www.meditec.zeiss.com 26

Oberflächenstrukturen Abbildungen entnommen aus: Poster Optical Coherence Tomography (OCT) and Applications 27

Linie parallel Messen bisher: Objekt Spot aus SLD auf Oberfläche Diodenzeile nimmt spektral zerlegte Signalperiode auf k Diodenzeile jetzt: Objekt x N CCD Linie aus SLD auf Oberfläche x x N x 2 x 1 CCD nimmt spektral zerlegte Signalperioden auf Vorteil: A&B-Scan gleichzeitig x x 2 1 k 28

CCD AB-Scan Abb. mit freundlicher Genehmigung von M. Sc Weiguo Xie 29

Retina mit 3D FD-OCT Abbildung entnommen aus: Nakamura et al.: "High-speed three-dimensional human retinal imaging by line-field spectral domain optical coherence tomography" 30

Fingerkuppe mit Schweißdrüsen Seitenlänge 1 x 1 mm 2 Tiefe ca 600 µm Abbildung von: medoct group, Center of biomedical Engineering and Physics, Medical University Vienna, Austria 1999 31

Fazit Michelson-Interferometer TD-OCT (1D) FD-OCT mit Punktprojektion (2D) sinkende Messzeiten pro Dimension FD-OCT mit Streifenprojektion (3D) gut funktionierendes Sensorsystem Einsatz in der Medizin kein lithografischer Sensor Ende supported by Markus Knauer & 32