Multimodale Bildgebung mit kontaktloser Photoakustik und OCT

Im vorgeschlagenen Projekt soll berührungslose photoakustische Bildgebung mit optischer Kohärenztomographie kombiniert werden. Diese Kombination ermöglicht berührungslose Bildgebung mit beiden Verfahren. Dabei kommt ein auf der Lichtwellenleiter-Technologie basierendes Fasernetzwerk für beide bildgebenden Methoden zum Einsatz. Optische Kohärenztomographie (OCT) ist eine hochauflösendes, berührungsloses Verfahren welches tiefenaufgelöste Bildgebung von Änderungen des Brechungsindexes in transparenten Medien ermöglicht. Diese Technik wurde ursprünglich für die Augenheilkunde entwickelt, findet aber weitere Anwendungsmöglichkeiten in anderen medizinischen und biologischen Bereichen. Im Gegensatz zu OCT, die Änderungen des Brechungsindex abbildet, wird bei der photoakustischen Bildgebung (PAI) die optische Absorption vermessen. Das Verfahren beruht auf dem photoakustischen Effekt, der die Umwandlung von Licht in akustische Wellen beschreibt. Ursache dafür ist die Absorption von elektromagnetischen Wellen und die resultierende lokale thermische Ausdehnung. In der Praxis werden meist kurzen Laserpulse verwendet um eine Probe zu beleuchten. Der lokalen Absorption des Lichts folgt eine schnelle Erwärmung, die anschließend zu thermischer Ausdehnung und der Erzeugung von breitbandigen Schallwellen führt. Durch Vermessung der erzeugten Ultraschallwellen kann die Verteilung der absorbierten Lichtenergie bestimmt werden. OCT und PAI liefern ergänzende Informationen. Üblicherweise werden für PAI Ultraschallwandler verwendet die physischen Kontakt mit der Probe benötigen. Dies ist eine Einschränkung für viele Anwendungen. Mittels der vor kurzen vorgestellten berührungslosen photoakustischen Bildgebung (rPAI) kann dieser Nachteil aufgehoben werden. Dabei erfolgt durch die Vermessung der Schallwellen direkt auf der Oberfläche einer Probe mittels Laser- Interferometrie. Das Ziel des geplanten Projekts ist es, eine Kombination von rPAI mit OCT zu demonstrieren, welche berührungslose Bildgebung mit beiden Modalitäten ermöglicht. Beide Techniken (rPAI und OCT) werden mit faseroptischen Komponenten innerhalb desselben faseroptischen Netzwerks realisiert. Dies erlaubt ein verhältnismäßig einfaches und robustes Instrument, mit perfekter räumlicher Überlagerung der Bilder aus beiden Modalitäten. Für rPAI wird eine Lichtquelle mit schwacher Leistung verwendet. Das von der Oberfläche reflektiert Licht wird optisch verstärkt bevor es detektiert wird. Durch die Kombination aus einer Lichtquelle mit schwacher Leistung und optischer Verstärkung vor der Demodulation/Messung kann die thermische Belastung auf der Probe gering gehalten werden und gleichzeitig eine hohe räumliche Auflösung erzielt werden. OCT liefert neben den ergänzenden Informationen auch die Oberflächenbeschaffenheit der Probe. Diese Information wird für die photoakustische Bildrekonstruktion benötigt.

In diesem Projekt wurde eine neuartige Kombination zweier non-invasiver, berührungslos arbeitender Bildgebungstechnologien realisiert, und zwar berührungslose photoakustische Bildgebung (englisch non-contact photoacoustic imaging, ncPAI) und optische Kohärenztomographie (englisch optical coherence tomography, OCT). Beide Methoden wurden in einem gemeinsamen Glasfasernetz realisiert und nutzten einen gemeinsamen Messkopf, sodass die laterale und zeitliche Bildregistrierung inhärent gegeben ist. Für das Systemdesign wurden weitestgehend Telekommunikationskomponenten verwendet. Die Leistungsdichte, der die Proben ausgesetzt waren, konnte durch Verwendung eines optischen Signalverstärkers niedrig gehalten werden. OCT basiert auf der interferometrischen Detektion von Licht, das an der Oberfläche und knapp darunterliegenden inneren Strukturen reflektiert bzw. gestreut wird, wie beispielsweise an Wänden von Blutgefäßen, Zellwänden oder Schichtstrukturen. Die Technologie war ursprünglich für Augenuntersuchungen entwickelt worden, wird aber inzwischen in einem weiten medizinischen Umfeld zur Diagnostik biologischer Proben genutzt. PAI nutzt den photoakustischen Effekt für die Bildgebung: eine Probe wird mit kurzen Laserpulsen beleuchtet. Die lokale Absorption des Lichtes (z.B. durch Hämoglobin) führt zu einer spontanen Erhitzung, welche wiederum zu einer raschen thermischen Ausdehnung führt und somit Ausgangspunkt einer breitbandigen Ultraschallwelle ist. Durch Detektion dieser Ultraschallwelle kann auf die absorbierende Struktur rückgeschlossen werden. Konventionelle Ultraschallköpfe für PAI erfordern physischen Kontakt zur Probe, wofür im Allgemeinen Kopplungsmedien wie Ultraschallgel oder Wasser eingesetzt werden. Diese Einschränkung konnte durch berührungslose (non-contact) photoakustische Bildgebung überwunden werden, indem die Ultraschallwellen bei Auftreffen an der Probenoberfläche ebendort interferometrisch detektiert werden. OCT und PAI liefern komplementäre Information. So visualisiert OCT beispielsweise Blutgefäßwände. Die Detektion des Blutes selbst ist jedoch Großteils an die Detektion der Bewegung der Blutzellen gebunden. Im Gegensatz dazu detektiert PAI direkt die Absorption durch Blut, und kann in Folge auch statisches Blut visualisieren, wie z.B. bei lokalen Einblutungen oder bei Blutgefäßverschluss. Der photoakustische Effekt beruht auf Absorption und ermöglicht folglich spektroskopische Photoakustik. Mithilfe eines Quantenkaskadenlasers, dessen Frequenz man kontinuierlich variieren kann, wurde ein solches System realisiert.