Verfahren zur optischen Kohärenztomographie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Kohärenztomographie, also ein Verfahren zur Erzeugung optischer Interferenzmuster zur Ermittlung der Laufzeit- Verteilung des aus einer Probe zurückkehrenden Lichts.

Interferometer und Verfahren zur Ermittlung der Laufzeitverteilung von reflektiertem bzw. gestreutem Licht zur Untersuchung einer - meist biologischen - Probe sind unter der Bezeichnung „Optical Coherence Tomography (OCT)" geläufig. Beispiels- weise wird in DE 199 29 406 Al ein solches Verfahren zur mikroskopischen Auflösung von Oberflächenstrukturen wie auch zur Messung der Rückstreuung aus verschiedenen Tiefenlagen der Probe vorgestellt. Das dort beschriebene Interferometer basiert auf dem bekannten Michelson-Interferometer und verwendet Licht aus dem nahen Infrarotspektrum mit kurzer Kohärenzlänge. Das Licht wird zuerst in einen Proben- und einen Referenzanteil aufgeteilt, auf die Probe bzw. auf einen Spiegel gelenkt, dort zurückgestreut bzw. reflektiert, nach Einkopplung in Lichtleiterfasern in eine Detektionseinheit geführt und dort zur Interferenz gebracht.

In der Ausgestaltung als „Time-Domain OCT" (TD-OCT) befindet sich ein Punktde- tektor, insbesondere eine Photodiode, in der Detektionseinheit, und die Referenzarmlänge wird mittels einer geeigneten, i. a. periodisch bewegten Vorrichtung (Phasenmodulator) verändert. Interferenz tritt auf, wenn Streutiefe in der Probe und aktuelle Referenzarmlänge sich höchstens um die Kohärenzlänge des Lichts unterscheiden. Während einer Periode des Phasenmodulators wird so ein Tiefenintervall (i. F. Mess- tiefe) von typisch 2 Millimeter im Probeninnern untersucht. Die vom Detektor er- fasste Lichtintensität wird als Funktion der Zeit aufgezeichnet, demoduliert und mit der zugleich bekannten Referenzarmlänge korreliert, um letztlich die tiefenabhängige Streustärke der Probe zu bestimmen.

Das Interferometer nach der WO 2002/084263 Al arbeitet im Unterschied zur TD-

OCT ohne bewegte Teile, insbesondere ohne den üblichen Phasenmodulator zur Ver-

ERSATZBLATT

änderung der Lichtlaufzeit im Referenzarm. Vielmehr tritt das aus dem Probenarm und dem Referenzarm des üiterferometers zurückkehrende Licht an zwei verschiedenen Orten in die Auswerteeinheit ein, in der es räumlich überlagert wird, wobei anhand der räumlichen Intensitätsverteilung in diesem überlagerten Bereich die Lauf- zeitverteilung des Lichts im Probenarm bestimmt wird. Es entsteht in Analogie zum bekannten Doppelspaltversuch ein Muster aus Interferenzstreifen (Fringes) auf einem Detektionsschirm. Dabei ergibt sich aufgrund der Laufzeitverteilung des Lichts eine Intensitätsverteilung entlang einer Linie auf dem Detektionsschirm; daher stammt die Bezeichnung „Lineare OCT", mit der dieses Verfahren von der TD-OCT unter- schieden wird.

Eine typische Ausgestaltung dieses Schirms, insbesondere für die rechnergestützte Auswertung, ist ein linearer Bildsensor, z.B. eine CCD-Kamera. Gängig ist auch die Bezeichnung Zeilensensor, wenn dieser nicht aus mehreren, sondern nur aus einer einzelnen Zeile von lichtsensitiven Pixeln aufgebaut ist.

Die Messtiefe der Linearen OCT (L-OCT) ist allerdings im Gegensatz zur TD-OCT begrenzt durch die Zahl der zur Verfügung stehenden Pixel, da mindestens 4 Pixel pro axialer Auflösung, die in der Regel 5 bis 15 μm beträgt, benötigt werden (Koch P, Hellemanns V, Hüttmann G (2006) Linear OCT System with extended measure- ment ränge. Opt Lett 31:2882-2884, DE 10 2006 031 822.6).

Mit gängigen Detektoren mit 1000 bis 2000 Pixel lassen sich nur Messtiefen von unter 5 mm realisieren. Werden größere Messbereiche gewünscht, ist es bis heute keine technisch gut praktikable Lösung einen Sensor mit höherer Pixeldichte zu verwenden

(Pixelanzahl ca. 10.000), da diese teuer in der Fertigung und überdies schwer auszulesen sind.

Zwar kann beim Aufbau der WO 2002/084263 Al die Messtiefe besonders einfach vergrößert werden, indem man bei der überlagerung auf dem Zeilensensor den Referenzstrahl gegen den Probenstrahl verschwenkt. Aber dies hat zugleich eine feinere räumliche Struktur des Betrages des elektrischen Feldes - und damit der Lichtintensitätsverteilung - unmittelbar am Detektor zur Folge. Man erhält dann eine sehr viel höhere Anzahl von Interferenzstreifen auf derselben Detektorfläche. Insbesondere treten nun üblich mehrere Interferenzstreifen pro Pixel auf. Das Abtasttheorem verlangt aber zur Abtastung eines Sinuswellenzuges mindestens zwei Abtastungen pro

Vollwelle. Die Unterabtastung des Interferenzsignals ist mit Zeilensensoren sehr ungünstig, da diese nur integrierend über Pixelflächen messen können, so dass ein zu niedrig abgetastetes Signal nicht ohne weiteres rekonstruiert werden kann. Für eine zweckmäßige Auswertung ist die Unterabtastung zu vermeiden.

Die DE 10 2004 033 187 B3 als auch die DE 10 2006 031 822 zeigen Wege auf, wie man der Unterabtastung bei verschwenkter überlagerung entgegentreten kann, indem man durch Maskierung des Zeilensensors oder durch gezielte Gitterbeugung der zu überlagernden Strahlen für Interferenzmuster sorgt, deren Fringes mit gängigen Sensoren gut zu erfassen sind.

Es ist bis heute kaum mit vertretbarem Aufwand möglich, ein OCT-System für einen Messtiefenbereich von mehreren Zentimetern auszulegen. Gerade dies wäre für eini- ge medizinische Anwendungen wünschenswert. Immerhin ist es aber bereits gelungen, lokalisierte Strukturen, insbesondere Grenzflächen, die in der Probe einen Abstand von mehreren Zentimetern zueinander in Strahlrichtung aufweisen, mit ein und demselben OCT-Scan zu untersuchen.

Fercher et al. („Optical coherence tomography - prindples and applications", Rep.

Prog. Phys. 66 (2003), 239-303) haben ein OCT-System zur Messung der Funduslänge vorgeschlagen, das „Dual Beam OCT" genannt wird. Hierbei wird das Licht einer breitbandigen Lichtquelle in zwei Anteile aufgeteilt, die dann zeit- bzw. wegstreckenversetzt wieder überlagert werden. Mit diesem Licht wird dann die Probe be- leuchtet. Auf diese Weise werden im Wesentlichen zwei OCT Signale erzeugt, die um den eingeprägten Laufzeitunterschied verschoben sind. Damit ist es möglich, die Signalanteile der Retina in die Nähe des Signals von der Cornea zu verschieben. Beide überlagerten Signale können dann mit einem TD-OCT mit einer Messtiefe von z.B. 2 mm erfasst werden. Es entstehen aber eben nur Signale aus dem Nahbereich der Cornea und aus dem der Retina, während dazwischen liegenden Strukturen zu keinem Signal führen können. Der effektive Messbereich umfasst zwei weit voneinander beabstandete Tiefenintervalle.

Beispielsweise für die Implantation von Kunstlinsen zur Behandlung des Grauen Stars ist es notwendig, die Abstände zwischen den optischen Elementen des menschlichen Auges genau zu kennen. Insbesondere muss die Gesamttiefe, d.h. der Abstand

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zwischen Corneavorderseite und Retina (Funduslänge) bekannt sein. Eine noch präzisere Auswahl der Kunstlinse gelingt, wenn zusätzlich noch alle anderen Ebenenabstände zwischen der Cornea (Vorder- und Rückseite), Linse (Vorder- und Rückseite) und Retina bekannt sind. Das wesentliche technische Problem bei dieser Anwendung ist die große Messtiefe, die erforderlich ist, um den gesamten Fundus mit einer Länge von ca. 40 mm aufnehmen zu können. Zur Bestimmung dieser Ebenenabstände werden zurzeit bevorzugt Geräte verwendet, die auf der Basis der TD-OCT Technologie entwickelt worden sind.

Der Nachteil des Ansatzes von Fercher et al. liegt in der überlagerung der Signale selbst. Nachdem sie überlagert worden sind, können die Signale der Cornea nicht mehr von denen der Retina unterschieden werden. Da menschliche Augen erhebliche Unterschiede in der Funduslänge aufweisen, ist relativ schwer sicherzustellen, dass beide Signale in jedem Fall separierbar erfasst werden.

In anderen Vorrichtungen werden die unterschiedlichen Lauflängen im Referenzarm- strahlengang mittels eines Stufenspiegels eingeprägt. In der DE 102 04 194 Al wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der mit einem rotierend angeordneten Satz von Referenzspiegeln verschiedene Strukturen in verschiedenen Tiefen der Probe gem.es- sen werden können. In dieser Anordnung erfolgt die eigentliche Messung aber im

Sinne eines zeitaufgelösten OCTs, d.h. die optische Weglänge im Probenarm muss zur Veπnessung der Streuamplituden an jeder gewählten Stelle über einen gewissen Bereich variiert werden.

In den Vorrichtungen gemäß DE 195 20 305 Al, US 4,309,109 und US 6,268,921 Bl werden ebenfalls Stufenspiegel verwendet. In diesen Fällen werden aber nicht einzelne Schichten in der Probe selektiert, sondern die Stufentiefe wird hier so gewählt, dass sie kleiner als die Kohärenzlänge der verwendeten Quelle ist. Dadurch kann auf eine kontinuierliche Veränderung der optischen Weglänge in einem der beiden Arme des Interferometers ganz verzichtet werden. Stattdessen ist es nun möglich, die Streuamplituden tiefenaufgelöst ans den Interferenzsignalen des Probenlichts mit den Referenzlichtanteilen, die von den einzelnen Stufen des Spiegels reflektiert werden, zu rekonstruieren. Die Signalentstehung entspricht im wesentlichen der der zeitaufgelösten OCT mit dem Unterschied, dass hier keine kontinuierlichen Signale mehr erfasst werden, sondern lediglich Interferenzamplituden an einzelnen

Stützstellen ermittelt werden. Alle hier vorgestellten Verfahren leiden unter großen

Schwierigkeiten bei der Herstellung von Stufenspiegeln mit Stufenhöhen von wenigen μm und vielen hundert Stufen.

Wenn die Anzahl der Stufen im Spiegel sehr groß wird, entspricht die Wirkungswei- se eher der eines optischen Gitters. Eine entsprechende Vorrichtung ist in WO

2005/032360 Al beschrieben. Optische Gitter lassen sich vergleichsweise einfach herstellen, da nun nicht mehr exakt 90° Stufen gefertigt werden müssen. Sie haben aber den für diese Anwendung nachteiligen Effekt der Lichtbeugung. In allen bisher beschriebenen Verfahren werden breitbandige Lichtquellen benutzt, deren Licht das Gitter unter einem wellenlängenabhängigen Winkel verlässt. Um eine Weißlichtinterferenz zu erhalten muss die optische Anordnung nun dazu ausgelegt sein, alle an einer Gitterlinie gebengten Lichtkomponenten auf einer einzigen Sensorzelle zu- saxrurienzuführen. Das kann in der vorgestellten einfachen Anordnung prinzipiell nicht gelingen, da hier das Gitter im so genannten Li ttrow- Winkel angeordnet wer- den muss. Deshalb befinden sich die einzelnen Gitterlmien in verschiedenen Tiefen z und können von einer Optik mit endlicher Tiefenschärfe nicht alle perfekt auf den Bildsensor abgebildet werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur OCT für voneinander sepa- rierte, beliebig weit beabstandete Tiefenintervalle einer Probe vorzuschlagen, wobei das Interferenzsignal durch überlagerung des alle Intervalle durchlaufenden Probenlichts mit einer Mehrzahl von Referenzlichtstrahlen unterschiedlicher Referenzarmlänge erzeugt wird, so dass das Interferenzsignal nach Anteilen einer beliebigen Auswahl der Intervalle separiert werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.

Es ist offensichtlich, dass die Abstände der zu untersuchenden Tiefenintervalle durch die Festlegung der Differenzen der Referenzarmlängen erfolgt, wie dies auch von Fercher vorgeschlagen wurde.

Die Zerlegung von Signalen, die sich etwa durch überlagerung gleichartiger Signale aus verschiedenen Quellen bilden, ist ein wohlbekanntes Problem der Nachrichten- technik (einfaches Beispiel: Radio). Normalerweise separiert man solche Signale durch filtern nach bekannten Charakteristika, die bereits quellenseitig eingeprägt sind

(z.B. Frequenzband). Auf die OCT mit mehreren Referenzarmen ist dies durchaus übertragbar, wenn man das Gesamtsignal als überlagerung von Signalen einer Mehrzahl von Merferometern begreift, die einen gemeinsamen Probenarm aufweisen.

Zur Zuordnung der Interferenzsignale zu den einzelnen Messbereichen ist dem jeweiligen Referenzarm ein Charakteristikum einzuprägen, das die nachträgliche Zerlegung des Gesamtsystems wieder erlaubt. Dies ist der Grundgedanke der Erfindung, der sich in erstaunlich einfacher Weise umsetzen lässt.

Zur Erläuterung der Erfindung soll zuerst ein TD-OCT betrachtet werden. Wie eingangs beschrieben ist das zu messende Signal die Lichtintensität des Interferenzlichts als Funktion der Zeit. Die Zeit spielt hierbei jedoch hauptsächlich die Rolle einer Hilfsgröße zur übersetzung z.B. in momentane Positionen eines Referenzspiegels. Hat man nun mehrere Referenzarme simultan zu betreiben, so müssten sich die Refe- renzspiegel mit vorgegebenen, unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, um eine Zerlegung der Messlichtanteile auf die verschiedenen Referenzarme zu ermöglichen. Jeder einzelne Referenzarm würde infolge seiner eingeprägten Geschwindigkeit zu einem Durchlauf von Literferenzfringes auf dem Punktdetektor mit einer charakteristischen Frequenz führen. Das Gesamtsignal, aufgezeichnet als Zeitreihe, wäre nach diesen Frequenzen zu filtern, um die Anteile zu isolieren.

Dieser Ansatz hat einige technische Nachteile. Phasenmodulatoren sind nicht nur teuer, sondern überdies von erheblich nicht-linearem Verhalten gekennzeichnet. Tatsächlich müssen etwa bei Vorrichtungen, die über das Strecken von Glasfasern mit- tels Piezo-Aktuatoren die Referenzarmlänge ändern, komplexe Regelungen eingebaut werden, um eine näherungsweise konstante änderungsgeschwindigkeit zu realisieren. Andere Phasenmodulatoren wie etwa rotierende Prismen lassen eine solche Linearisierung gar nicht zu. Infolgedessen wäre die „charakteristische Frequenz eines Referenzarms" (s. o.) Schwankungen unterworfen, die die angestrebte Signalzerle- gung erschweren würden.

Die vorstehende Lösung für das Separationsproblem ist technisch nicht unaufwendig und somit keine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleichwohl weist sie den richtigen Weg, der mittels eines L-OCT sehr einfach beschritten werden kann.

Beim L-OCT bilden sich ausgedehnte Interferenzmuster I(x) entlang der Zeilensen- sor-(Pixel-)Koordinate x aus, die die Gestalt amplitudenmodulierter Trägerwellen besitzen. Die Trägerwelle wird durch die Merferenz-Fringes gebildet, wohingegen die Amplitudenmodulation das eigentlich interessierende Probensignal darstellt.

Erfindungsgemäß werden nun Interferenzmuster, die sich aus der überlagerung des Probenlichts mit mehreren Referenzlichtstrahlen ergeben, dadurch zerlegbar, dass die einzelnen Referenzlichtstrahlen jeweils unter einem eigenen, für den Referenzarm charakteristischen Winkel gegen den Probenstrahl auf den Zeilensensor treffen.

Es ist sofort einzusehen, dass die Interferenzlichtanteile, die von jedem einzelnen Referenzarm herrühren, zu einer jeweils anderen Fringe-Frequenz auf dem Detektor führen müssen. Von daher lassen sich die Frequenzen der verschiedenen Trägerwellen ein für alle mal apparativ festlegen, z.B. indem Proben- und Referenzlicht in Fa- sern geführt wird, wobei die Faserenden unter vorab bestimmten Winkeln zueinander gegenüber dem Detektor angeordnet werden.

Natürlich kann man die Referenzarme auch variabel verschwenkbar ausbilden und so eine auf das jeweilige Messproblem einstellbare Anordnung gestalten.

Die von den verschiedenen Referenzarmen herrührenden unterschiedlichen Trägerfrequenzen lassen sich mit den im Stand der Technik zitierten Methoden (z.B. Masken oder Gitter) immer so einrichten, dass sie -jede für sich - mit der durch den Zeilensensor apparativ vorgegebenen Abtastrate gut erfasst werden können. Dabei ist zu beachten, dass jede Trägerwelle ihrerseits zur ausreichenden Abtastung ihrer Amplitudenmodulation geeignet sein muss, die letztlich erfasst werden soll.

Das Abtastkriterium für amplitudenmodulierte Signale besagt, dass die Trägerfrequenz wenigstens doppelt so groß sein muss wie die höchste Frequenz des Signals. Das Interferenzsignal, das durch Interferenz des Probenlichts mit irgendeinem Referenzlichtstrahl entsteht, besitzt ein Frequenzband und eine Mittenfrequenz (Trägerfrequenz). Dieses gesamte Frequenzband muss unterhalb der Nyquist-Frequenz liegen, die apparativ durch die Pixel des Detektors festgelegt ist.

Daraus ergibt sich eine wichtige Einschränkung des erfindungsgemäßen Vorgehens: Wenn mehrere Referenzarrne verwendet werden, ist jeder einzelne so einzurichten,

dass das seinem Interferenzsignal zugehörige Frequenzband vollständig abgetastet wird und dabei möglichst nicht mit den Frequenzbändern der anderen Arme überlappt. Anderenfalls erschwert das übersprechen benachbarter Signale die gewünschte Separation. Dadurch wird weiterhin der gesamte messbare Bereich in seiner Län- ge, d. h. in der Summe aller einzelnen Messbereiche, begrenzt.

Das unmittelbar auf dem Detektor messbare Interferenzsignal ist bei Verwendung mehrerer, unter verschiedenen Winkeln einstrahlender Referenzarme nichts anderes als die Superposition einer Mehrzahl amplitudenmodulierter Intensitätssignale. Ide- alerweise überdecken die Frequenzbänder dieser Signale ohne überschneidung den vom Detektor abtastbaren Frequenzbereich (zwischen Null und Nyquist-Frequenz).

Die Separation der Signale ist dann leicht durch bekannte Nachbearbeitungsschritte zu erreichen, z.B. durch Fouriertransformation, Filtern der relevanten Frequenzen und Fourierrücktransformation.

Abschließend sei noch daraufhingewiesen, dass mehrere Referenzlichtstrahlen ebenfalls untereinander interferieren können. Die Weglängenunterschiede zwischen den Referenzarmen können jedoch immer so eingerichtet werden, dass diese hiterferen- zen nicht auf den Detektor fallen.