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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Monitoring von zeitabhängigen Eigenschaften des Lichts bei der optischen Kohärenztomographie (OCT) mit einer in ihrer Wellenlänge abstimmbaren Lichtquelle, insbesondere mit einer zeitlich periodisch abgestimmten Laserlichtquelle („swept-source“), wobei eine Probe in einem Beleuchtungspunkt auf der Oberfläche der Probe beleuchtet und der Beleuchtungspunkt durch eine elektronisch ansteuerbare Ablenkeinrichtung („scanner“) entlang einer vorbestimmten Trajektorie geführt wird.
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Die optische Kohärenztomographie zählt zu den wichtigsten optisch mikroskopischen Bildgebungsverfahren in der Medizin. Der weltweite Umsatz mit OCT beträgt mehr als eine Milliarde Dollar pro Jahr. Derzeit verwenden die meisten OCT-Systeme Spektrometer-basierte Messverfahren - gängig als Fourier-Domain OCT (FD-OCT) bezeichnet - ohne Laser. Jedoch verbreiten sich in jüngster Zeit mehr und mehr OCT-Systeme, die einen schnell Wellenlängen-abstimmbaren Laser verwenden. Diese werden als Swept-Source OCT (SS-OCT) bezeichnet und bieten mehrere Vorteile: Es können größere Messbereiche erfasst und geringere Rauschniveaus realisiert werden als mit FD-OCT oder erst recht mit Time-Domain OCT (TD-OCT), die mit breitbandigen Lichtquellen und zeitlich variablen Referenzarmlängen arbeitet. Zudem ist es voraussichtlich nur mit der schnell scannenden SS-OCT möglich, viele Millionen Tiefenscans - sog. A-Scans - einer Probe pro Sekunde abzutasten.
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Genau ein Tiefenscan wird abgetastet, wenn der Laser einmal komplett über seinen Wellenlängenbereich abgestimmt wird. Eine einzelne solche Abstimmung wird auch als „sweep“ bezeichnet und die Zeitspanne, die der Laser zur Durchführung eines Sweeps benötigt, als Sweep-Dauer.
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Bei einem scannenden SS-OCT-System wird je wenigstens ein A-Scan in jedem Beleuchtungspunkt auf der Probe durchgeführt, wobei ein Scanner den Beleuchtungspunkt über die Probe bewegt („flying spot“-Aufbau). Je kürzer die Sweep-Dauer eingerichtet werden kann, desto schneller kann u. a. auch der Beleuchtungsspot bewegt werden.
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Zur weiteren Steigerung der OCT-Messgeschwindigkeit bedarf es einer Steigerung der Wellenlängen-Abstimm-Rate - Sweep-Rate - der benutzten Laserlichtquelle. Derzeit sind die am schnellsten abstimmbaren Laser für OCT-Systeme in klassischer „flying spot“ Ausführung, die zur Anwendung kommen, die sogenannten Fourier Domain Mode Locked (FDML) Laser.
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Die scannenden SS-OCT-Systeme nehmen das OCT-Messsignal in Abhängigkeit von der Zeit auf. Eine Fotodiode misst das zeitabhängige Signal, das sich aus der Überlagerung des von der Probe zurück gestreuten Lichts mit einem Referenzlichtanteil des Laserlichts ergibt. Sie wandelt das zeitabhängige optische Signal dabei in ein zeitabhängiges elektrisches Signal um. Dieses Signal wird dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (AD-Wandler oder auch ADC) zugeführt und durch diesen in ein digitales OCT-Signal für die Weiterverarbeitung - und ggf. die nichtflüchtige Speicherung - in einem digitalen Signalprozessor (DSP), z.B. PC oder FPGA, konvertiert.
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Die Weiterverarbeitung kann beispielsweise die Fourier Transformation, eine Multiplikation mit einer variablen Amplitude (z.B. für „apodizing, spectral shaping“) oder die Logarithmierung umfassen. Ein weiterer üblicher Schritt noch vor der Fourier-Transformation ist das Rekalibrieren - alternativ auch als Remapping oder Resampling bezeichnet -, bei dem die digitalisierten Messwerte auf Zwischenstützstellen interpoliert werden.
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Das digitalisierte OCT-Signal würde bei einem idealen Messaufbau ausschließlich von den Streueigenschaften bzw. Strukturen in der Probe - in vielen Fällen ein biologisches Gewebe - beeinflusst. Das zeitabhängige OCT-Signal ist mit der zeitabhängigen Position des über die Probe bewegten Beleuchtungspunktes korreliert und erhält so seine Ortszuweisung. Aus der Zusammenschau einer Mehrzahl von A-Scans, die entlang der Scantrajektorie aufgenommen werden, lassen sich Schnittbilder der Probe im Computer rekonstruieren (B-Scans), und aus der Zusammenschau solcher Schnittbilder zu benachbarten Trajektorien können Volumendarstellungen (C-Scans) ermittelt werden. Dies ist das Prinzip u. a. der medizinischen Bildgebung mittels SS-OCT.
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Aus der US Patentanmeldung
US 2017 / 0 241 763 A1 als auch aus dem Artikel „Microvascular Imaging Using Swept-Source Optical Coherence Tomography with Single-Channel Acquisition“ erschienen in Applied Physics Express, Vol. 4, 2011, 097001 von Meng-Tsan Tsai, et al. sind Swept-Source (
SS) -OCT-Verfahren bekannt. bei diesen Verfahren wird in elektrisches Monitorsignal und ein elektrisches OCT-Signal auf einen einzelnen Kanal eines AD-Wandlers geführt. Das Monitorsignal wird vorgeschlagen als optisches Ausgangssignal eines fiber Bragg grating (
FBG), dem ein Anteil des SS-Laserlichts (hier: das Monitorlicht) zugeführt wird, um eine Information über die Eigenschaften des Monitorlichts zu erhalten. Bei dem Monitorsignal handelt es sich um ein Kurzzeit-Signal - ein „Blip“ -, das sich nur dann wesentlich von null unterscheidet, wenn der Laser gerade eine vorbestimmte Wellenlänge durchläuft. Dementsprechend ist der zeitliche Verlauf des Signals nicht relevant, sondern nur der Zeitpunkt seines Auftretens, und außerhalb des sehr kurzen Zeitfensters dieses Blips wird das OCT-Signal nicht verändert, wenn man Monitorsignal und OCT-Signal gleichzeitig auf demselben Kanal des AD-Wandlers digitalisiert. Es wird dort ein Mischsignal mittels eines Analog-Digital-Wandlers in ein digitales Ausgangssignal gewandelt.
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In realen Messapparaten können verschiedenste Fehlerquellen eine Rolle spielen, die man in den digitalisierten OCT-Signalen rechnerisch ausgleichen kann und möchte. Die wohl bedeutendste Fehlerquelle ist dabei die abstimmbare Lichtquelle selbst. Das dem OCT-Interferometer zugeführte Licht kann sowohl Intensitäts- als auch Phasenschwankungen zeigen, und auch die Wellenlängen-Abstimmung kann eine Inter-Sweep-Variabilität aufweisen.
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Man versucht bei Wellenlängen-abstimmbaren Lasern zu erreichen, dass sich die Wellenlänge λ(t) zeitlich möglichst linear ändert, d.h. dass sich innerhalb eines Sweeps die Wellenlänge λ in gleich großen Zeitschritten Δt jeweils gleichmäßig um dasselbe konstante Inkrement Δλ ändert. Bei sehr schnell abstimmbaren Lasern, z.B. FDML-Lasern, gelingt dies gewöhnlich nicht mehr, beispielsweise aufgrund mechanischer Resonanzen der optischen Abstimmfilter. Für die optische Frequenz ω = ck = 2 πc/λ (mit c als Lichtgeschwindigkeit) erreicht man die zeitlich lineare Änderung durch das Abstimmen des Lasers in der Regel nicht, aber man wünscht sich gleichwohl das digitalisierte OCT-Signal als Funktion der optischen Frequenz auf äquidistanten Stützstellen für die weitere OCT-Auswertung mit schnellen und effizienten FFT -Algorithmen.
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AD-Wandler kann man in der Regel mit Taktsignalen ansteuern, wenn man die Digitalisierung analoger Messwerte auf vorbestimmten, nicht-äquidistanten Zeitstützstellen wünscht. Bei der SS-OCT ist dies auch als „k-clocking“ bekannt, um das elektrische OCT-Signal direkt äquidistant in der optischen Frequenz zu erfassen. K-Clocking ist allerdings praktisch kaum möglich bei Hochgeschwindigkeits-AD-Wandlern, die Signale mit Frequenzanteilen von deutlich mehr als 1 GHz verarbeiten sollen. Die Architektur derartiger ADC ist darauf ausgelegt, mit einer bestimmten, stabilen Abtastrate betrieben zu werden. Sowohl aperiodische Sprünge (Jitter) als auch periodische Phasen-Verschiebungen des Abtastsignals führen zu erheblichen Verfälschungen des digitalisierten Signals.
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Wenn man auf k-Clocking verzichten will oder muss, dann muss man stattdessen wenigstens ein zusätzliches Monitorsignal erfassen, welches die optischen Eigenschaften des Lichts repräsentiert, das dem OCT-Interferometer zugeführt wird.
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Das wenigstens eine Monitorsignal entsteht dabei als optisches Signal, nämlich als eine zeitabhängige Lichtintensität, und es wird durch einen Fotodetektor in ein zeitabhängiges, elektrisches Monitorsignal umgewandelt. Als solches wird es dann entweder einem zweiten Eingang des (primären) AD-Wandlers oder einem separaten, synchronen, phasenstarr getakteten (Hilfs-) AD-Wandler zugeführt und zeitgleich mit dem elektrischen OCT-Signal digitalisiert. Das wenigstens eine optische Monitorsignal kann beispielsweise in einer Monitoreinrichtung erzeugt worden sein, der ein Anteil des Laserlichts zugeführt wird, um darin mit sich selbst in einer vorbestimmten Weise zu interferieren. Das korrespondierende digitalisierte Monitorsignal erlaubt dann das Rückschließen auf die Wellenzahl-Position des Lasers zu den Zeitpunkten, für die auch das digitalisierte OCT-Signal vorliegt, vgl. R. Huber, M. Wojtkowski, K. Taira, J. G. Fujimoto, and K. Hsu, „Amplified, frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging: design and scaling principles,“ Optics Express 13, 3513-3528 (2005).
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problematik besteht darin, dass jedes zweckdienliche oder gar erforderliche Monitorsignal vergleichbare Frequenzen aufweisen kann wie das OCT-Signal. Wenn man einen AD-Wandler bereits zum Verarbeiten des elektrischen OCT-Signals im Grenzbereich seiner Verarbeitungsgeschwindigkeit betreibt, dann kann man ein Monitorsignal nur noch mit einem separaten, vergleichbar leistungsfähigen AD-Wandler digitalisieren. Und Hochgeschwindigkeits-AD-Wandler sind die mit Abstand teuersten Komponenten der Elektronik eines schnell scannenden SS-OCT-Systems. Außerdem wäre eine effektive Reduzierung des bei OCT anfallenden, sehr umfangreichen Datenstroms um einen Faktor ~2 hilfreich, um leistungsfähigere OCT Systeme zu ermöglichen. Mit jeder neuen Generation von ADC wird man aber zweifellos wieder an die Grenze der dann realisierbaren Datenstrom-Übertragungsraten gehen.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Vorschlag für das verbesserte Monitoring der zeitabhängigen Eigenschaften des Lichts bei der OCT zu machen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Monitoring von zeitabhängigen Eigenschaften des Lichts bei der scannenden Swept-Source Optischen Kohärenztomographie mit den Schritten:
- a. Erzeugen von Laserlicht mit zeitabhängig veränderlicher Wellenlänge und einer vorbestimmten Sweep-Dauer;
- b. Aufteilen des Laserlichts in Probenlicht, Referenzlicht und Monitorlicht;
- c. Führen des Referenzlichts in einen Referenzarm eines OCT-Interferometers;
- d. Führen des Monitorlichts in eine Monitoreinrichtung, die wenigstens ein optisches Monitorsignal repräsentierend wenigstens eine zeitabhängige Eigenschaft des Monitorlichts erzeugt;
- e. Erzeugen wenigstens eines elektrischen Monitorsignals aus dem wenigstens einen optischen Monitorsignal mit einem Lichtdetektor;
- f. Punktförmiges Beleuchten einer Probe mit Probenlicht, wobei der Beleuchtungspunkt auf der Oberfläche der Probe entlang einer vorbestimmten Trajektorie geführt wird;
- g. Überlagern des von der Probe gestreuten Lichts mit dem aus dem Referenzarm austretendenden Referenzlicht auf einem Lichtdetektor zum Erzeugen eines elektrischen OCT-Signals;
dadurch gekennzeichnet, dass
- h. das wenigstens eine elektrische Monitorsignal und das elektrische OCT-Signal in einander abwechselnder Reihenfolge jeweils zeitlich äquidistant AD-gewandelt werden, wodurch ein einzelner digitaler Datenstrom umfassend Zeitabschnitte mit jeweils nur einem der AD-gewandelten Signale gebildet wird.
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Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den unmittelbar einsichtigen Vorteil, dass nur ein einziger leistungsfähiger AD-Wandler bzw. AD-Wandler-Kanal benötigt wird, um das wenigstens eine Monitorsignal und das OCT-Signal zu digitalisieren, wenngleich auch nun nicht mehr vollständig, sondern nur in jeweils dafür vorgesehenen Zeitabschnitten. Dies kann bedeuten, dass man das OCT-Signal zeitabschnittsweise verwirft. Dies muss aber keinen Verlust bedeuten, wie weiter unten erläutert wird.
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Die Erfindung basiert unter anderem auf der sehr überraschenden Beobachtung und Erkenntnis, dass sowohl Intensität als auch Phasenrauschen von vielen SS-OCT Lichtquellen eine gewisse Korrelation aufweisen. So verhält sich das Rauschen über einige 10 bis 100 Wellenlängen-Durchläufe nicht komplett erratisch sondern zeigt gewisse Zusammenhänge. Dadurch muss eine Rekalibrierung, eine Renormierung oder auch nur eine Aufzeichnung des Referenzsignals nicht unbedingt bei jedem einzelnen Messpunkt durchgeführt werden.
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Es ist anzumerken, dass die Erfindung vorzugsweise mit einem Fourier-Domain Mode-Locked (FDML)-Laser als OCT-Lichtquelle realisiert werden kann.
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Die Zeitpunkte, an denen sich die Signale bei der Digitalisierung erfindungsgemäß abwechseln, müssen bekannt sein. Dabei sind diese Zeitpunkte in aller Regel aus dem mit der Zeit indizierten Datenstrom aus dem AD-Wandler, also der fortlaufenden digitalen Wertetabelle der elektrischen Signale, relativ leicht ersichtlich, denn das wenigstens eine Monitorsignal ist unbeeinflusst von der Probe und schon deshalb gut vom OCT-Signal zu unterscheiden. Hilfsweise können aber auch zusätzliche synthetische „Blips“ (kurze Spitzen oder Einbrüche im Signal des Lichtdetektors) auf die Signale gegeben werden, wenn ein Signalwechsel im Datenstrom erfolgt. Solche Blips können dabei auch zusätzliche Informationen, z.B. Indizierungen, enthalten.
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Wenn eine Mehrzahl von Monitorsignalen erfindungsgemäß in einander abwechselnder Reihenfolge digitalisiert werden sollen, dann kann es ggf. hilfreich sein, entweder die Zeitpunkte der Wechsel zwischen zwei Monitorsignalen zu protokollieren oder aber jeden Zeitabschnitt mit einem der Monitorsignale von zwei Zeitabschnitten mit dem OCT-Signal einrahmen zu lassen. Im letzteren Fall sind die Wechselzeitpunkte wieder gut im Datenstrom auszumachen. Solche wiederholt aufgezeichneten verschiedenen Monitorsignale können z.B. dann hilfreich sein, wenn durch die Anwendung eines 3x3 Kopplers direkt das analytische Signal des Wellenlängen Schwebungssignals gemessen werden soll.
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Wenn das Abwechseln der Signale aktiv gesteuert erfolgt, dann sind die Zeitpunkte genau bekannt. Dies ist der übliche Arbeitsmodus der Erfindung. Es ist dabei vorteilhaft, aber keineswegs notwendig, das Abwechseln der Signale bei der AD-Wandlung zeitlich periodisch herbeizuführen.
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Das Abwechseln der Signale kann beispielsweise durch das Betätigen eines Schalters erreicht werden, der eines von wenigstens zwei Eingangssignalen auf einen Signalpfad führt, der letztlich in einer AD-Wandlung endet. Das Betätigen des Schalters kann dabei durch eine Schalteransteuerung erfolgen, die zugleich dazu ausgebildet ist, zum Zeitpunkt der Betätigung wenigstens ein Schaltsignal an den AD-Wandler zu kommunizieren. Der AD-Wandler kann den Schaltvorgang dann im erzeugten Datenstrom markieren bzw. protokollieren. Das Betätigen des Schalters kann zeitlich periodisch erfolgen; in diesem Fall kann der Schalter auch autonom mit fest vorbestimmter Frequenz schalten. Die feste Frequenz vereinfacht das Auffinden der Schaltvorgänge im Datenstrom auch dann, wenn der AD-Wandler keine Markierungssignale erhält.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Prinzip für SS-OCT-Systeme mit beliebiger Sweep- und Scan-Rate nutzbar. Es ist besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn das wenigstens eine Monitorsignal und das OCT-Signal Frequenzanteile oberhalb von 400 MHz aufweisen und mit einem Hochgeschwindigkeits-AD-Wandler AD-gewandelt werden, der eine Abtastrate von 800 Msamples/s oder mehr aufweist.
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Beispiels- und vorzugsweise kann das Erzeugen des elektrischen OCT-Signals und des wenigstens einen elektrischen Monitorsignals mit demselben Lichtdetektor erfolgen, wobei das wenigstens eine optische Monitorsignal und Proben- und Referenzlicht durch wiederholtes Betätigen eines optischen Schalters in einander abwechselnder Reihenfolge auf den Lichtdetektor geführt werden. Hierbei ist zur Verdeutlichung gemeint, dass Proben- und Referenzlicht gemeinsam einem der Eingänge des optischen Schalters zugeführt wird. Folglich gelangt Proben- und Referenzlicht in einer Stellung des Schalters zusammen auf den Lichtdetektor zur Erzeugung des OCT-Signals, während in einer zweiten Stellung des Schalters nur Monitorlicht auf den Lichtdetektor geführt wird.
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In einer alternativen und besonders bevorzugten Ausgestaltung wird das elektrische OCT-Signal mit einem ersten Lichtdetektor und das wenigstens eine elektrische Monitorsignal mit wenigstens einem zweiten Lichtdetektor erzeugt, wobei die elektrischen Signale durch wiederholtes Betätigen eines elektrischen Schalters in einander abwechselnder Reihenfolge auf denselben Eingang des AD-Wandlers geführt werden. Diese Ausgestaltung bedarf eines schnell - d.h. innerhalb einer Sweep-Dauer - umschaltbaren Schalters. Hierzu bieten sich zum einen handelsübliche, am Markt erwerbbare Standard-Baugruppen - RF-Schalter - an.
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Die Nutzung eines zusätzlichen elektrischen Signalpfades dürfte trotz des benötigten zusätzlichen Lichtdetektors in der Regel kostengünstiger sein als ein vergleichbarer optischer Schalter.
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Die Umschaltung des elektrischen Signalpfades lässt sich auch mit einem rein digitalen Schalter realisieren, indem ein schneller AD-Wandler ausgewählt wird, der zwischen mehreren Eingangssignalen auswählen kann und dynamisch zwischen Wandlung des Haupt- und Monitorsignals umkonfiguriert wird. Diese Konfiguration kann dabei sowohl durch ein elektrisches Steuersignal, als auch durch eine logische Konfiguration durch ein digitales Steuerregister erfolgen. Letzteres setzt voraus, dass sich die Inhalte eines Steuerregisters in sehr kurzer Zeit laden lassen. Bei üblichen Hochgeschwindigkeits-AD-Wandler ICs liegen die typischen Ladezeiten für ein Steuerregister in der Größenordnung von 100 Nanosekunden, oder sogar weniger, falls die Steuerregister doppelgepuffert sind und erst durch ein Synchronisations- oder Selektionssignal aktualisiert werden. Die Übernahme der neuen Konfiguration erfolgt dann üblicherweise in weniger als 10 Mikrosekunden. Bei B-Scan-Raten im kHz-Bereich und bei üblichen C-Scan-Tiefen von etwa 500 B-Scans ergeben sich damit immer noch wenigstens 10 Zeitabschnitte mit digitalisierten Monitorsignalen pro OCT-C-Scan.
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Die Erfindung sieht vor, dass alle vorgenannten elektrischen Signale - in beliebig abwechselnder Reihenfolge - vom ADC mit einer vorbestimmten Abtastrate digitalisiert werden, die für die Architektur des ADC optimiert gewählt ist. Die Signale werden insofern jeweils zeitlich äquidistant AD-gewandelt, und ein K-Clocking findet nicht statt.
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Die Erfindung wird nachfolgend auch anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine Skizze eines Messaufbaus, der die Erfindung umsetzt;
- 2 eine Verbildlichung der Struktur des erzeugten Datenstroms;
- 3 eine Skizze zur Auswahl von Schaltzeitpunkten.
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In 1 ist der schematische Aufbau eine SS-OCT-System dargestellt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt. Das Licht einer swept-source Laserlichtquelle (SS) wird einem Strahlteiler (BS) zugeführt und dort in Monitorlicht, Proben- und Referenzlicht aufgeteilt. Das Monitorlicht wird in eine Monitoreinrichtung (MON) geführt, und das Proben- und Referenzlicht in ein OCT-System (OCT) umfassend ein Interferometer. Es ist anzumerken, dass das Licht des Lasers üblicherweise in Fasern geführt wird, und dass es zweckmäßig ist, Proben- und Referenzlicht in einer gemeinsamen Faser dem OCT zuzuführen. Die eigentliche Aufteilung erfolgt dann durch einen zweiten Strahlteiler oder Faserkoppler im OCT-System.
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Lediglich zur Vereinfachung der Beschreibung wird angenommen, dass aus dem Monitorlicht hier genau ein optisches Monitorsignal gewonnen wird.
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In 1 ist jene Ausgestaltung skizziert, bei der das erzeugte optische Monitorsignal und das durch Überlagerung von Proben- und Referenzlicht erzeugte optische OCT-Signal mit jeweils einem eigenen Lichtdetektor (PD1, PD2) in elektrische Signale überführt werden. Die Ausgänge der Lichtdetektoren sind mit den (hier: zwei) Eingängen eines elektrischen Schalters (SW) verbunden, der wahlweise das eine oder das andere elektrische Signal an seinen einzigen Ausgang weiterleitet. Die Stellung des Schalters bestimmt, welches der elektrischen Signale am Ausgang anliegt und vom nachgeschalteten AD-Wandler (ADC) digitalisiert wird. Der Datenstrom am Ausgang des ADC wird einem digitalen Signalprozessor, beispielsweise einem gängigen PC, zugeleitet, wobei die Signalverarbeitungskette das Rohsignal zu Bildern (und - je nach Anwendung - zusätzlichen Informationsebenen) verarbeitet und ggf. speichert. Der elektrische Schalter SW erhält Steuersignale, die seinen Schaltzustand bestimmen. Quelle der Steuersignale kann dabei ein Taktgeber sein, der ein zeitlich periodisches Schalten zwischen den Zuständen veranlasst. Ein menschlicher Nutzer wird in der Regel nicht selbst das Ändern der Schaltzustände auslösen, sondern vielmehr die Taktfrequenzen auswählen und vorgeben. Der Taktgeber kann dabei auch mit anderen Oszillatoren phasengelockt werden und sich so mit anderen Frequenzen als den voreingestellten synchronisieren.
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Ganz allgemein zeigt die Skizze der 2 von links nach rechts verlaufend einen Zeitstrahl, wobei im oberen Bereich eine Rechteckkurve das zeitlich periodische Steuersignal für den Schalter (SW) repräsentiert. Der Streifen im unteren Bereich verbildlicht den aus dem AD-Wandler austretenden, zeitlich indizierten Datenstrom. Er weist separate, zusammenhängende Zeitintervalle aus, in denen entweder nur das digitalisierte Monitorsignal (MON) oder das digitalisierte OCT-Signal (OCT) im Datenstrom auftreten. Die Längen der Zeitintervalle in 2 sind zur Verdeutlichung willkürlich gewählt. Sie können sich für das MON- und das OCT-Signal erheblich unterscheiden.
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Wie bereits erwähnt, wird ein vorbestimmter Anteil des OCT-Signals bei Anwendung der Erfindung nicht erfasst, also verworfen. Dies muss allerdings keinen tatsächlichen Informationsverlust bedeuten.
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Beispielsweise ist in 3 eine Situation gezeichnet, in der der Laserstrahl (MS) in einen Beleuchtungspunkt fokussiert wird, der mittels einer Ablenkeinrichtung entlang einer ungefähr sinusförmigen Trajektorie (OCT) auf einer Probenoberfläche geführt wird. In den Umkehrpunkten kommt es zwangsläufig zu einer Verringerung der Bahngeschwindigkeit des Beleuchtungspunktes (wg. Richtungsumkehr), und in diesem Bereich erhöht sich dadurch die applizierte Strahlungsdosis. Bei empfindlichen Gewebeproben wird deshalb in Betracht gezogen, den Laserstrahl während der Dauer der Strahlumkehr zu unterbrechen oder zumindest aus dem Strahlengang zur Probe auszublenden. Für Zeitfenster, in denen sich der Beleuchtungspunkt in einem der dunklen Streifen (MON) in 3 aufhält, stehen also ohnehin keine OCT-Messdaten zur Verfügung. In eben diesen Zeitfenstern kann das Monitorsignal ohne zusätzliche Beeinträchtigung der OCT-Messung erfasst werden.
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Es ist deshalb eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, dass der Beleuchtungspunkt auf der Probe durch eine ansteuerbare Ablenkeinrichtung geführt wird, wobei die Ansteuerung der Ablenkeinrichtung mit dem elektrischen oder optischen oder digitalen Schalter zum Abwechseln der Signale kommuniziert und diesen anweist, das wenigstens eine Monitorsignal während solcher Zeitabschnitte dem AD-Wandler zuzuführen, in denen der Beleuchtungspunkt Umkehrpunkte der Trajektorie durchläuft. In diesem Fall ist also die Ansteuerung des Scanners entweder zugleich selbst Taktgeber des Schalters SW in 1 oder mit dem Taktgeber phasengelockt. Scanner und Ansteuerung sind in 1 im OCT-System mit umfasst.
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Messaufbauten, in denen der Beleuchtungspunkt Trajektorien durchläuft, die keine oder nur sehr wenige Umkehrpunkte aufweisen, z.B. ein rotierender, seitwärts gerichteter Scanner in einem OCT-Endoskop oder dergleichen, können ebenfalls von der Erfindung profitieren, wenn die Laserlichtquelle kurze Sweep-Dauern aufweist, und der Beleuchtungspunkt dabei schnell über die Probe bewegt wird.
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Hierbei ist es sehr von Vorteil, wenn die Sweep-Dauer kürzer als 3 Mikrosekunden eingerichtet werden kann, was mit den eingangs genannten FDML Lasern heute möglich ist. Die FDML-Laser erweisen sich überdies als sehr stabil bezüglich ihrer Wellenlängen-Abstimmcharakteristik, die wiederum für die Rekalibrierung während einer OCT-Messung wiederholt, idealerweise periodisch wiederkehrend mit einem Monitorsignal zu ermitteln ist. Man benötigt nur die Messung eines einzelnen Sweeps mit der Monitoreinrichtung, um robust auf mehrere Hundert anschließende Sweeps schließen zu können.
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Um nicht mehr als nur einen OCT-Messpunkt für die Erfassung des Monitorsignals zu opfern, ist es vorteilhaft, dass die Länge eines Zeitabschnittes, in dem der Datenstrom nur das wenigstens eine Monitorsignal umfasst, größer ist als die Sweep-Dauer und kleiner ist als die Zeit, in der der Beleuchtungspunkt auf der Oberfläche der Probe entlang der Trajektorie um einen Beleuchtungspunktdurchmesser bewegt wird. Vorausgesetzt, dass das dabei erfasste Monitorsignal seine Aussagekraft für eine große Anzahl sich anschließender Sweeps beibehält, gilt dies sogar für große Sweep-Dauern und angemessen geringe Scangeschwindigkeiten. Bei FDML-Lasern als swept-source Lichtquellen ist diese Voraussetzung in jedem Fall erfüllt, und es ist von Vorteil, wenn die Länge eines Zeitabschnitts, in dem der Datenstrom nur das OCT-Signal umfasst, größer ist als das 100-fache der Sweep-Dauer, bevorzugt sogar größer ist als das 500-fache der Sweep-Dauer. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Nutzer höchstens ein Prozent der prinzipiell zugänglichen OCT-Bildinformation verlieren kann, in der Regel sogar deutlich weniger.
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Demgegenüber reduzieren sich die Kosten des OCT-Systems durch den Verzicht auf einen zweiten AD-Wandler erheblich - im Fall eines Hochleistungs-ADC für sehr schnelle Systeme sogar beinahe um die Hälfte. Zudem wird die Aufnahme von Monitorsignalen nun so ermöglicht, dass dabei viele gemeinsame optische oder elektronische Komponenten verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass störende Effekte durch etwaig unterschiedliche Signallaufzeiten weitestgehend unterdrückt werden.
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Die Reduktion des Datenstroms und die damit verbundene Kosteneinsparung fallen noch größer aus, wenn nicht nur ein Monitorsignal gemessen wird, sondern z.B. zwei um 120° phasenversetzte Signale sowie ein Intensitätsverlauf. Hier hat man dann bereits eine Reduktion um einen Faktor vier. Mit einer Mehrzahl von Monitorsignalen kann man den kompletten Wellenlängen-Durchlauf des Lasers mit Intensität und Phase bis auf einen festen Faktor vollständig erfassen. Dies ermöglicht ein Höchstmaß an Präzision bei der Rekalibrierung.
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Es kann zur stabileren, präziseren oder robusteren Generierung eines Monitorsignals zur Rekalibrierung hilfreich sein, wenn man als Monitorsignale eine Mehrzahl von Selbstinterferenzsignalen des Monitorlichts erfasst, die aus einer Mehrzahl von Interferometern mit jeweils verschiedenen optischen Armlängen-Differenzen hervorgehen. Dadurch ist eine gute Rekalibrierung sowohl in kleinen als auch in großen OCT-Scantiefen zu erreichen. Beispielsweise können die verschiedenen optischen Monitorsignale simultan elektronisch detektiert und erfindungsgemäß während eines Zeitfensters, in dem nur das wenigstens eine Monitorsignal erfasst werden soll (vgl. 2 MON), in einander abwechselnder Reihenfolge als elektrische Monitorsignale auf denselben Eingang des ADC geführt werden, d.h. auch in diesem Fall wird aus den verschiedenen Monitorsignalen nur ein einzelner Datenstrom gebildet.
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Neben der Kostenreduktion steht auch der Umstand voran, dass extrem schnelle OCT-Systeme durch die Erfindung überhaupt erst möglich werden. Da es eine absolute Limitierung bei den Bussystemen der verwendeten Computer-Hardware gibt, ist es selbst unter Aufwand großer finanzieller Mittel nicht möglich, die Datenstromrate effizient zu erhöhen. Da derzeit die optischen Systeme der SS-OCT Geräte deutlich höhere Informationsströme generieren als Daten verarbeitet werden können, wird der Trend anhalten, dass man immer durch einen „Flaschenhals“ des Bussystems im Computersystem begrenzt ist. Diese Limitierung wird durch die hier beschriebene Erfindung ebenfalls wenigstens gemildert, d.h. der Flaschenhals wird erweitert, und die Grenze des Machbaren wird nach oben verschoben.
