Optische Kontrastierung in der Kohärenztomographie

Forschungsprojekt P 14103Optische Kontrastierung in der KohärenztomographieChristoph K. HITZENBERGER24.01.2000 Die optische Kohärenz-Tomographie (engl.: OCT) ist eine neue, nichtinvasive Technik zur Gewinnung optischer Schnittbilder von transparentem und semi-transparentem Gewebe. OCT funktioniert analog zur Ultraschall-B Abbildungstechnik, verwendet jedoch Licht im nahen Infrarot an Stelle von Schallwellen. Die übliche Auflösung der OCT beträgt ca. 10 m m, die Eindringtiefe in streuendes Gewebe ca. 2 mm. Die OCT liegt mit diesen Werten zwischen konfokaler Mikroskopie und Hochfrequenz-Ultraschall-Abbildung. Die normale OCT beruht auf der Messung der rückgestreuten Lichtintensität, bildet also die Verteilung des Streupotentiales in der Probe ab. Wie aus der Mikroskopie bekannt ist, ist der Bildkontrast bei vielen Geweben schlecht, wenn nur die Lichtintensität zur Bildgewinnung benutzt wird. Diese Gewebe können jedoch auch andere Eigenschaften des Lichtes beeinflussen (z.B. Polarisation, Phase, Spektrum) was zur Verbesserung des Bildkontrastes und auch zu quantitativen Messungen verwendet werden kann. Im vorliegenden Projekt sollen fortgeschrittene OCT-Techniken entwickelt und erforscht werden, die diese Lichteigenschaften zur Verbesserung des Bildkontrastes benützen. Hierzu sollen zwei OCT-Geräte aufgebaut und die verschiedenen Kontrastierungstechniken an unterschiedlichen Geweben untersucht und optimiert werden. Das erste Instrument ist für Polarisations- und Phasenkontrast ausgelegt. Diese Techniken sollen anhand von Gewebephantomen mit wohldefinierten, variierbaren optischen Parametern (Streukoeffizient, Anisotropiefaktor, Brechungsindex, Doppelbrechung) untersucht und optimiert werden. Anschließend sollen damit verschiedene reale Gewebe untersucht werden. Ein interessantes transparentes Gewebe für beide Kontrastierungstechniken ist die Cornea, da sie sowohl doppelbrechend ist als auch einen nicht gleichförmigen Brechungsindex besitzt. Zahnschmelz ist ein interessantes Beispiel für streuendes Gewebe. Er ist doppelbrechend, die Doppelbrechung (und damit auch der Brechungsindex) werden durch kariöse Prozesse geändert. Unter anderem soll die Eignung der beiden Kontrastierungsmethoden zur Kariesdiagnose untersucht werden. Das zweite Gerät ist für differentiellen Absorptionskontrast ausgelegt. Es verwendet zwei Wellenlängen im mittleren Infrarot, eine Wellenlänge liegt in einem Wasser-Absorptionsband, die andere außerhalb. Durch differentielle Auswertung der bei beiden Wellenlängen aufgenommenen OCT-Bilder soll der Wassergehalt in oberflächennahen Gewebeschichten abgebildet werden. Diagnostisches Potential und Grenzen dieser Technik sollen in Gewebephantomen und realen Geweben untersucht werden.

Das Projektziel war die Entwicklung neuer Kontrastierungstechniken für die optische Kohärenz-Tomographie (engl.: OCT). Die OCT wurde in den 1990er Jahre als eine nichtinvasive Technik zur Gewinnung optischer Schnittbilder von transparentem und semi-transparentem Gewebe entwickelt. Die Technik ähnelt der Ultraschall- Abbildungstechnik, verwendet jedoch Licht im nahen Infrarot an Stelle von Schallwellen. Da die Auflösung der OCT besser ist als diejenige von Ultraschall-Methoden ergibt sich ein großes Potential für die medizinische Diagnostik im Bereich der Ophthalmologie, aber auch von oberflächennahen Geweben (Haut, Schleimhaut, Zahn). Die normale OCT beruht auf der Messung der rückgestreuten Lichtintensität. Wie aus der Mikroskopie bekannt ist, ist der Bildkontrast bei vielen Geweben schlecht, wenn nur die Lichtintensität zur Bildgewinnung benutzt wird. Diese Gewebe können jedoch auch andere Eigenschaften des Lichtes beeinflussen was zur Verbesserung des Bildkontrastes und auch zu quantitativen Messungen verwendet werden kann. Im Rahmen des Projektes wurden drei erweiterte Abbildungstechniken entwickelt und erprobt. 1. Differentieller Absorptionskontrast: Es wurde ein OCT-Gerät entwickelt, das mit zwei Wellenlängen gleichzeitig arbeitet, eine davon wird von Wasser stark absorbiert, die andere nicht. Die Differenz der Signalintensität in beiden Bildern erlaubt es, die Wasserkonzentration in Gewebe zu messen. Das Verfahren wurde verwendet um die Wasserkonzentration in der Hornhaut des menschlichen Auges zu messen. Mögliche Anwendungen umfassen Untersuchungen von Ödemen und Entzündungsvorgängen. 2. Phasenkontrast: Viele Arten von Zellen sind transparent, ihr Inneres (Organellen) bleibt in Intensitätsbildern unsichtbar. Die Zell-Substrukturen haben allerdings unterschiedliche Brechungsindices. Diese können durch Phasenkontrast sichtbar gemacht werden. Im Rahmen des Projektes wurde ein OCT Gerät entwickelt, welches das aus der Mikroskopie bekannte Phasenkontrastverfahren adaptiert. Damit war es möglich, Zellen in Zellkulturen abzubilden. Weiters konnte gezeigt werden, dass Phasenkontrastabbildung durch streuende Schichten hindurch - im Gegensatz zu normaler Phasenkontrastmikroskopie - möglich ist. 3. Polarisationskontrast: Zahlreiche Gewebe sind doppelbrechend, sie ändern den Polarisationszustand des Lichtes. Beispiele dafür sind fasrige Gewebe wie Muskel, Sehnen, Cornea, Retina. Im Rahmen des Projektes wurde ein polarisationsempfindliches OCT Gerät entwickelt, das zwei Parameter der Doppelbrechung gleichzeitig messen kann: den Betrag und die Orientierung (diese ist mit der Faserorientierung im Gewebe verknüpft). Diese Technik ermöglichte die Aufzeichnung dreidimensionaler Bilder, mit deren Hilfe die Doppelbrechung der menschlichen Cornea im Detail bestimmt werden konnte. Mögliche Anwendungen umfassen die Diagnostik von Cornea- und Retinaerkrankungen.