Frequenzbasierte optische Kohärenztomographie: Von der Strukturdarstellung zur spektroskopischen Analyse

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Beschreibung

Die optische Kohärenztomographie (engl.: optical coherence tomography, kurz OCT, seit 1991)
ist die jüngste in der Medizin etablierte Variante der Bildgebung. Die Gründe dieser schnellen
Entwicklung sind die dem Messprinzip inhärente Dreidimensionalität, die hohe Auflösung im
einstelligen µm-Bereich, die Kontaktfreiheit, die zu vernachlässigende Strahlenbelastung des
verwendeten breitbandigen Nahinfrarotlichtes, die Geschwindigkeit sowie die verhältnismäßig
geringen Systemkosten. Die geringe Eindringtiefe von etwa 1-2mm in stark streuendem Gewebe
ist der kapitale Nachteil der optischen Kohärenztomographie, welcher sie in ihrer praktischen
Einsetzbarkeit sehr einengt. Aufgrund aller genannten Eigenschaften eignet sich die OCT für
eine Vielzahl an Anwendungsbereichen. Insbesondere zu nennen ist der Einsatz in der Medizin,
wo sie beispielsweise in der Ophtalmologie, Kardiologie und in einigen weiteren Bereichen der
inneren Medizin angewendet wird.

Ein neues Anwendungsfeld, die Bildgebung von Knochen, wird im Rahmen dieser Arbeit
vorgestellt. Durch Bildgebung von Knochen mittels Röntgen(mikro)computertomographie (kurz:
(µCT) können Ärzte und Biologen bereits verschiedenste Rückschlüsse ziehen. Die OCT erzielt
detailreichere Bilder, allerdings ohne die Probe einer hohen Strahlenbelastung auszusetzen.
Damit ist die optische Kohärenztomographie insbesondere für Untersuchungen an
Knochenkulturen kleinerer Abmessungen potentiell geeignet. Jedoch ist es in vielen Fällen nicht
möglich, anhand einer schon sehr guten Strukturdarstellung Aussagen über die Zusammen-
setzung des Gewebes oder der Substanz zu treffen. In manchen Fällen ist auch unklar, um
welche Strukturen es sich überhaupt handelt.

Die Strukturen in den OCT-Bildern stellen die Änderung des Brechungsindexes über der Tiefe
dar. Der Brechungsindexgradient ist aber nicht der einzige auswertbare optische Parameter von
Gewebe. Weitere materialspezifische Parameter sind die wellenlängenabhängige Absorption und
Streuung. So könnten bisher unbekannte Strukturen von Standard-OCT-Bildern spektroskopisch
identifiziert, also bestimmten Substanzen zugeordnet werden, wodurch der Nutzen der Bilder
erheblich erweitert wird. Dazu wurden zunächst die mathematischen Grundlagen erarbeitet,
welche sowohl von einer Interferenzsimulation wie auch durch Vermessung von Filterproben
experimentell bestätigt wurden. Es konnte erstmals eine objektive, weil nutzerunabhängige, auf
Spektroskopie basierende Substanzidentifikation in einem OCT-Bild demonstriert werden.
Weiterhin wurde die spektroskopische Analyse auf Blutproben angewendet, die erstmals das
Absorptionsmaximum von deoxygeniertem Blut bei 750nm zeigt. Die Untersuchung an einer
Knochenprobe weist einen durch die spektroskopische Analyse erhöhten Bildkontrast auf und
motiviert die zusätzliche spektroskopische Analyse in der OCT.