Was ist Spectral Domain OCT?

In SD-OCT wird Licht von einer Breitbandquelle in zwei Pfade aufgeteilt: einer, der auf die Probe gerichtet ist, und der andere auf einen Referenzspiegel. Das reflektierte Licht von diesen beiden Pfaden interferiert und erzeugt ein wellenlängenabhängiges Interferenzmuster (Spektrum).

Reflexionen aus bestimmten Tiefen entsprechen unterschiedlichen harmonischen Frequenzen im k-Raum (2π/λ). Folglich kann das Tiefenprofil durch Anwenden einer inversen Fourier-Transformation auf das gemessene Spektrum im k-Raum rekonstruiert werden.

Das Tiefenprofil einer Probe, das an einem einzelnen Scanpunkt erhalten wurde, wird als A-Scan bezeichnet. Eine Folge von A-Scans, die entlang einer Linie über die Probe aufgenommen wurden, bildet einen B-Scan, der ein Querschnittsbild der Probe darstellt. Durch die Aufzeichnung von B-Scans entlang einer senkrechten Dimension der Probe kann ein vollständiges volumetrisches Bild—bekannt als C-Scan—erzeugt werden.

Die optische Kohärenztomographie im Spektralbereich (SD-OCT) bietet erhebliche Vorteile bei der hochauflösenden Bildgebung, insbesondere in biomedizinischen Anwendungen. Sie ermöglicht eine nicht-invasive, tiefenaufgelöste Visualisierung von Gewebestrukturen, insbesondere in der Augenheilkunde zur Diagnose von Netzhauterkrankungen wie Glaukom und altersbedingter Makuladegeneration. SD-OCT bietet aufgrund seiner großen spektralen Bandbreite eine überlegene axiale Auflösung und ermöglicht eine volumetrische Bildgebung (C-Scans), die eine umfassende 3D-Gewebsvisualisierung ermöglicht.

Einer der Hauptvorteile von SD-OCT ist seine hohe Erfassungsgeschwindigkeit, die Zehntausende bis Hunderttausende von A-Scans pro Sekunde erfasst. Ein vollständiger 3D-Retina-Scan kann in 1–5 Sekunden abgeschlossen werden, wodurch Bewegungsartefakte deutlich reduziert und das Unbehagen des Patienten minimiert werden. Im Gegensatz dazu benötigt die Fluoreszenztomographie, die auf molekularer Absorption und Emission basiert, mehrere Minuten für die vollständige volumetrische Bildgebung.

Ein SD-OCT-System basiert auf einer Breitband-Lichtquelle, einem Interferometer, einem Scanner, einem Spektrometer und einer Verarbeitungseinheit.

Die Lichtquelle liefert einen Bereich von Wellenlängen – typischerweise im Infrarotbereich – mit einer Bandbreite von 50 – 200 nm. Eine gängige Art von Lichtquelle ist eine superlumineszente Diode (SLD). Typische verwendete Mittenwellenlängen sind 840 nm, 880 nm, 1050 nm, 1310 nm und 1550 nm.

Das Interferometer teilt das Licht von der Lichtquelle auf und lenkt es sowohl auf die Probe als auch auf einen Referenzspiegel. Anschließend wird das reflektierte Licht von diesen beiden Pfaden wieder zusammengeführt, wodurch ein Interferenzmuster erzeugt wird. Das Interferometer kann entweder mit Freiraumoptik oder mit Faseroptik aufgebaut werden.

Der Scanner ist dafür verantwortlich, den Lichtstrahl über die Probe zu lenken. Dies wird typischerweise mit galvanometrischen Spiegeln, MEMS-Scannern (mikroelektromechanische Systeme) oder piezoelektrischen Bauelementen erreicht.

Das Spektrometer erfasst die Interferenzmuster als Funktion der Wellenlänge, indem es ein hochdispersives Beugungsgitter und eine Zeilenkamera verwendet. Die Bildrate der Kamera liegt typischerweise im kHz-Bereich, um eine kurze Messzeit zu ermöglichen.

In SD-OCT wird die Systemleistung von mehreren miteinander verbundenen Parametern bestimmt, darunter die axiale und laterale Auflösung, die Bildgebungstiefe, die spektrale Bandbreite und die Pixelanzahl. Das Verständnis dieser Beziehungen hilft, die Bildqualität und das Systemdesign zu optimieren.

Die axiale Auflösung (Δz) in SD-OCT wird durch die Kohärenzlänge der Quelle bestimmt und ist umgekehrt proportional zur spektralen Bandbreite (Δλ) der superlumineszenten Diode (SLD) oder anderer Breitband-Lichtquellen:

wobei:

• λ₀ ist die Zentralwellenlänge der Lichtquelle
• Δλ ist die spektrale Bandbreite (FWHM),
• Der Faktor 2ln2 / π berücksichtigt die Form der Kohärenzfunktion für ein Gauß-Profil.

Bitte beachten Sie, dass die obige Formel für eine SLED mit einem Gaußschen Spektralprofil gilt. Für ein Flat-Top-Profil ist Δz etwa 20 % größer. In jedem Fall ist ersichtlich, dass eine größere spektrale Bandbreite die axiale Auflösung verbessert.

Die laterale Auflösung (Δx) wird primär durch die Fokussierungsoptik und die Numerische Apertur (NA) des Systems bestimmt:

Eine Erhöhung der numerischen Apertur verbessert die laterale Auflösung, verringert aber die Schärfentiefe.

Die Abbildungstiefe eines SD-OCT-Systems hängt von der Eindringtiefe bei der verwendeten Wellenlänge ab. Darüber hinaus wird die maximale Abbildungstiefe (zmax) durch die spektrale Bandbreite und die Anzahl der Pixel im Spektrometer beeinflusst:

wobei:

• N_pixels ist die Anzahl der Detektor-Pixel im Spektrometer und Δλ _spectrometer ist die Bandbreite des Spektrometers.

In der Praxis ist die maximale Anzahl von Pixeln typischerweise durch kommerziell erhältliche Detektoren begrenzt.

Sensitivity roll-off bezieht sich auf die allmähliche Verringerung der Signalstärke bei größeren Abbildungstiefen, die durch Einschränkungen der spektralen Auflösung und der Fringe Visibility verursacht wird. Dieser Effekt führt zu einem verminderten Kontrast und einer geringeren Signalqualität für Strukturen, die sich weiter von der Zero-Delay-Position entfernt befinden.

Die axiale Abtastdichte hängt von der Anzahl der Pixel im Spektrometer und dem Spektralbereich ab:

Das Tiefenprofil wird durch Anwenden der Fourier-Transformation auf die erfassten Spektraldaten rekonstruiert, wodurch k-Raum-Informationen in räumliche Bereichsdarstellungen umgewandelt werden.

Um das Tiefenprofil präzise zu rekonstruieren, muss das System das Nyquist-Abtastkriterium erfüllen, welches besagt, dass das spektrale Abtastintervall klein genug sein muss, um alle im Signal vorhandenen Raumfrequenzen aufzulösen. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Detektor-Pixel im Spektrometer (N_pixels) ausreichend hoch sein muss, um Aliasing zu vermeiden und eine angemessene Tiefenauflösung zu gewährleisten:

wobei:

• Δk_min ist das erforderliche minimale spektrale Abtastintervall.
• z_max ist die maximale Bildgebungstiefe.

Eine höhere Pixelzahl im Spektrometer ermöglicht eine bessere spektrale Auflösung und erweitert so die Abbildungstiefe bei gleichzeitiger Wahrung der Signaltreue.

Die Optimierung eines SD-OCT-Systems erfordert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Auflösung, Bildgebungstiefe und Empfindlichkeit. Eine größere Bandbreite verbessert die axiale Auflösung, erfordert aber eine höhere Pixelanzahl im Spektrometer, um den Tiefenbereich beizubehalten. Ebenso verbessert eine höhere numerische Apertur die laterale Auflösung, verringert aber die Bildgebungstiefe.

Die optische Kohärenztomographie im Spektralbereich (SD-OCT) wird häufig in der Augenheilkunde eingesetzt und bietet hochauflösende Bildgebung zur Diagnose und Überwachung von Netzhauterkrankungen wie Glaukom und Makuladegeneration. Sie ist auch in der Dermatologie zur nicht-invasiven Beurteilung von Hautschichten und in der Kardiologie zur Visualisierung von Gefäßstrukturen und Plaques von Bedeutung.

Über die Medizin hinaus spielt SD-OCT eine Rolle in der Materialwissenschaft und der biologischen Forschung und hilft bei der präzisen Analyse von Mikrostrukturen. Seine Fähigkeit, Echtzeit- und tiefenaufgelöste Bilder zu liefern, macht es zu einem leistungsstarken Werkzeug in verschiedenen Bereichen.

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