DE202012002375U1

DE202012002375U1 - Vorrichtung zur optischen Kohärenztomographie

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Publication number: DE202012002375U1
Application number: DE201220002375
Authority: DE
Original assignee: Wavelight GmbH
Current assignee: Alcon Inc
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-04-23
Anticipated expiration: 2022-03-09
Also published as: US9243889B2; US20130235382A1; US20150092197A1; US8941840B2

Abstract

Vorrichtung (10) zur optischen Kohärenztomographie (OCT), umfassend: – eine Signalerfassungseinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, ein Interferenzsignal (G(ω)) für ein abzubildendes Objekt (12) in einem optischen Frequenzbereich (ω) zu erfassen, und – eine Rechneranordnung (30), die dazu eingerichtet ist, – eine Mehrzahl von Zwischensignalen (G1(k), G2(k)) in einem räumlichen Frequenzbereich (k) aus dem Interferenzsignal (G(ω)) zu ermitteln, wobei jedes der Zwischensignale (G1(k), G2(k)) für eine unterschiedliche Tiefe (z1, z2) des Objekts (12) dispersionskompensiert ist, – ein ortsaufgelöstes Abbildungssignal (FFT1, FFT2) für jedes der Zwischensignale (G1(k), G2(k)) durch Anwenden einer Fourier-Transformation auf das jeweilige Zwischensignal (G1(k), G2(k)) zu ermitteln, und – ein Tomographiesignal (G(z)) aus den Abbildungssignalen (FFT1, FFT2) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Kohärenztomographie.
Die optische Kohärenztomographie (Englisch: optical coherence tomography; kurz: OCT) dient der Erstellung ein-, zwei- oder dreidimensionaler (kurz: 1D, 2D oder 3D) Tomogramme eines zu untersuchenden Objekts. Dabei wird ein kohärenter Lichtstrahl mit einer definierten Kohärenzlänge entlang eines Objektarms auf das Objekt gerichtet. Das Objekt reflektiert oder streut das Licht des Lichtstrahls in unterschiedlichen Messtiefen. Eine Reflektion oder Streuung tritt besonders an optischen Grenzflächen des Objekts auf, an denen sich der Brechungsindex des Objekts ändert. Das vom Objekt zurückgestreute Licht wird dann mit einem kohärenten Lichtstrahl aus einem Referenzarm zur Gewinnung eines Interferenzsignals überlagert. Die Tiefenpositionen der Grenzflächen sind in der Phaseninformation und/oder der Modulationsfrequenz des Interferenzsignals kodiert.
Aufgrund eines wellenlängenabhängigen Brechungsindex innerhalb des Objekts kann es zur Dispersion kommen, welche zu einem Verlust der axialen Auflösung mit zunehmender Messtiefe führen kann. Ein Auflösungsverlust innerhalb der Tomogramme hat eine unscharfe Darstellung von Grenzflächen und Strukturen des Objekts zur Folge, wobei diese beispielsweise im Tomogramm verbreitert oder verschmiert erscheinen. Folglich lassen sich beispielsweise eng benachbarte Grenzflächen nicht mit ausreichender Genauigkeit voneinander trennen.
Um Tomogramme mit einer hohen (oder einer theoretisch höchst möglichen) Auflösung zu erhalten, muss die Dispersion kompensiert werden, wobei dies beispielsweise rein optisch erfolgen kann. In angepasster Weise kann dies auch für große Dispersionen bei hochauflösenden Systemen für bestimmte Abschnitte oder Grenzflächen zutreffen.
Zur Gewinnung dispersionskompensierter Rohdaten müssen exakt gleiche optische Weglängen entlang des Objekt- und Referenzarms beispielsweise durch Einbringen identischer Medien in Objekt- und Referenzarm erzeugt werden. Dabei kann die Dispersion nur für eine einzige, vorab definierte Tiefe, also für den Durchgang durch eine festgelegte optische Weglänge exakt angeglichen werden. Eine an mehrere Tiefen angepasste Dispersionskompensation ließe sich hingegen nur durch mehrere an die jeweiligen Tiefen angepasste optische Angleichungen erzeugen. Dies erfordert eine Mehrzahl separater und aufwendiger Messungen mit jeweils geändertem optischem Ausgleich der optischen Weglänge und/oder der Dispersion für die jeweilige Tiefe. Zudem verliert man durch die Mehrzahl separater Messungen die inhärente Positionsgenauigkeit von Grenzflächen, die sich aus nur einer OCT-Messung ergäbe.
Weiterführende Informationen zur Dispersionskompensation in OCT-Systemen können den folgenden Publikationen entnommen werden.

Hillman, T. R. & Sampson, D. D., The effect of water dispersion and absorption on axial resolution in ultrahigh-resolution optical coherence tomography, Optics Express, 21. März 2005, Vol. 13, No. 6, S. 1860–1874.
Drexler, W. & Fujimoto, J. G., Optical Coherence Tomography – Technology and Applications, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2008.
Tumlinson, A. R., Hofer, B., Winkler, A. M., Povazay, B., Drexler, W. & Barton, J. K., Inherent homogenous media dispersion compensation in frequency domain optical coherence tomography by accurate k-sampling, Applied Optics, 10. Februar 2008, Vol. 47, No. 5, S. 687–693.
Wojtkowski, M., Srinivasan, V. J., Ko, T. H., Fujimoto, J. G., Kowalczyk, A. & Duker, J. S., Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherence tomography and methods for dispersion compensation, Optics Express, 31. März 2004, Vol. 12, No. 11, S. 2404–2422.
Marks, D. L., Oldenburg, A. L., Reynolds, J. J. & Boppart, S. A., Digital algorithm for dispersion correction in optical coherence tomography for homogeneous and stratified media, Applied Optics, 10. Januar 2003, Vol. 42, No. 2, S. 204–217.
Marks, D. L., Oldenburg, A. L., Reynolds, J. J. & Boppart, S. A., Autofocus algorithm for dispersion correction in optical coherence tomography, Applied Optics, 1. Juni 2003, Vol. 42, No. 16, S. 3038–3046.
Sekhar, S. C., Nazkani, H., Blu, T. & Unser, M., A new technique for highresolution frequency domain optical coherence tomography, ICASSP 2007, International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2007, S. 425–428.
Cense, A. J., Yun, S.-H. & de Boer, J. F., Process, system and software arrangement for a chromatic dispersion compensation using reflective layers in optical coherence tomography imaging, US 2009/0196477 A1 .

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur optischen Kohärenztomographie anzugeben, die eine Ermittlung von Tomogrammen eines zu untersuchenden Objekts mit einer hohen Auflösung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie ermöglicht eine abschnittsweise numerische Dispersionskompensation.
Die vorliegende Erfindung beruht auf folgender Erkenntnis: Eine messtiefenabhängige, räumliche Verbreiterung eines Messsignals, die auf einer durch das Objektmedium verursachten Dispersion beruht, ist an sich nicht unterscheidbar von einem messtiefenabhängigen Messsignalfehler, der bei der Gewinnung eines Tomographiesignals durch eine inkorrekte Zuordnungsvorschrift bei der Umrechnung einer optischen Frequenz in eine räumliche Frequenz verursacht wird.
Dies bedeutet andererseits: Ist die durch das Objektmedium bis zu einer bestimmten Messtiefe verursachte Dispersion bekannt, kann durch eine messtiefenangepasste Zuordnungsvorschrift eine Dispersionskompensation vorgenommen werden. Für verschiedene Messtiefen werden demnach verschiedene Zuordnungsvorschriften benötigt. Entsprechend muss für eine Anzahl an zu untersuchenden Messtiefen, für welchen das Tomographiesignal letztlich eine Abbildung des Objekts mit der theoretisch höchst mögliches axialen Auflösung vorliegen soll, auch eine entsprechende Anzahl an Zuordnungsvorschriften vorgesehen sein.
Eine Vorrichtung zur optischen Kohärenztomographie umfasst eine Signalerfassungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Interferenzsignal für ein abzubildendes Objekt in einem optischen Frequenzbereich zu erfassen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Rechneranordnung, die dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Zwischensignalen in einem räumlichen Frequenzbereich aus dem Interferenzsignal zu ermitteln, wobei jedes der Zwischensignale für eine unterschiedliche Tiefe des Objekts dispersionskompensiert ist. Die Rechneranordnung ist ferner dazu eingerichtet, ein ortsaufgelöstes Abbildungssignal für jedes der Zwischensignale durch Anwenden einer Fourier-Transformation auf das jeweilige Zwischensignal zu ermitteln und ein Tomographiesignal aus den Abbildungssignalen zu ermitteln.
Mit anderen Worten: Da die Tiefenpositionen der Grenzflächen innerhalb des Objekts in der Phaseninformation und/oder Modulationsfrequenz des Interferenzsignals (Rohdaten) kodiert ist und die Dispersion innerhalb des Objektmediums einen Einfluss auf die Phaseninformation des Interferenzsignals hat, muss zur Dispersionskompensation das Interferenzsignal einer Phasenkorrektur unterzogen werden, wobei die Phasenkorrektur wiederum an die Tiefe der jeweiligen Grenzfläche angepasst ist. Demnach kann durch ein schichtweises Anwenden einer Phasenkorrektur die Dispersion für alle (durch die Grenzschichten voneinander getrennten) Schichten des Objekts mit unterschiedlichen Brechungsindizes ausgeglichen werden. Das schichtweise Anwenden beruht dabei auf der Ermittlung einer Mehrzahl von Zwischensignalen aus dem Interferenzsignal, die für unterschiedliche Tiefen des Objekts dispersionskompensiert sind. Im Anschluss daran kann für jedes der dispersionskompensierten Zwischensignale eine Fourier-Transformation durchgeführt werden. Es erfolgt somit eine mehrfache Anwendung jeweils angepasster Fourier-Transformationen, die für jedes der Zwischensignale ein ortsaufgelöstes Bild des Objekts liefern. Die einzelnen Bilder werden anschließend zu einem Gesamtbild zusammengefügt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es somit, dass durch eine auf bestimmte Tiefen oder Tiefenbereiche angepasste Dispersionskompensation Grenzflächen und Strukturen in verschiedenen Tiefen des Objekts bzw. die Abstände von Grenzflächen und Strukturen des Objekts mit der höchst möglichen Auflösung detektiert werden können. Unter höchst möglicher Auflösung ist dabei die axiale Auflösung des Tomogramms zu verstehen, die sich theoretisch aus der Kohärenzlänge des zur OCT verwendeten Lichts ergibt.
Bei der optischen Kohärenztomographie kann es sich beispielsweise um die FD-(Englisch: Fourier domain) OCT, oder eine Unterform hiervon, beispielsweise die SD-(Englisch: spectral domain) OCT oder die SS- (Englisch: swept source) OCT handeln. Bei dem Objekt kann es sich um sämtliche Proben handeln, die mit OCT erfasst, vermessen und/oder abgebildet werden können. Insbesondere weist das Objekt mehrere Grenzflächen auf. Das Objekt ist zum Beispiel ein humanes Auge.
Das Interferenzsignal entsteht aus der Interferenz eines vom dem abzubildenden bzw. zu untersuchenden Objekt innerhalb eines Objektarms zurückgestreuten kohärenten Lichtstrahls mit einem von einem Referenzobjekt innerhalb eines Referenzarms zurückgestreuten kohärenten Lichtstrahl. Das Interferenzsignal kann eine Intensität oder eine Intensitätsverteilung repräsentieren. Das Interferenzsignal wird in einer an sich bekannten Weise im Rahmen der optischen Kohärenztomographie erfasst und kann als das Rohdatensignal verstanden werden.
Der optische Frequenzbereich kann beispielsweise durch die Frequenz f oder die Kreisfrequenz ω (mit ω = 2πf) repräsentiert werden. Das Interferenzsignal stellt dann zum Beispiel eine von der optischen Frequenz f oder ω abhängige Funktion oder Verteilung I(f) bzw. I(ω) dar. Demnach kann das Interferenzsignal als ein Spektrum oder eine spektrale Verteilung im optischen Frequenzraum verstanden werden. Das Interferenzsignal kann aber auch als ein normiertes Spektrum oder eine normierte spektrale Verteilung im optischen Frequenzraum verstanden werden, das/die insbesondere bezüglich des von der für die OCT genutzten Lichtquelle ausgegebenen Spektrums normiert ist. Das Interferenzsignal stellt in diesem Fall zum Beispiel eine von der optischen Frequenz f oder ω abhängige normierte Funktion oder normierte Verteilung G(f) bzw. G(ω) dar.
Ein Zwischensignal kann eine Intensität, eine normierte Intensität, eine Intensitätsverteilung oder eine normierte Intensitätsverteilung repräsentieren.
Der räumliche Frequenzbereich kann beispielsweise durch die Wellenzahl k (mit k = 2πn/λ mit n als Brechungsindex und λ als Wellenlänge) repräsentiert werden. Die Wellenzahl k ist als eine räumliche Frequenz zu verstehen. Ein Zwischensignal kann zum Beispiel eine von der Wellenzahl k abhängige Funktion oder Verteilung I(k) darstellen. Demnach kann ein Zwischensignal als ein Spektrum oder eine spektrale Verteilung im optischen Frequenzraum verstanden werden. Ein Zwischensignal kann aber auch als ein normiertes Spektrum oder eine normierte spektrale Verteilung im optischen Frequenzraum verstanden werden. Das Zwischensignal stellt in diesem Fall zum Beispiel eine von der Wellenzahl k abhängige normierte Funktion bzw. normierte Verteilung G(k) dar.
Die Rechneranordnung kann dazu eingerichtet sein, jedes der Zwischensignale ausgehend vom Interferenzsignal anhand einer Zuordnungsvorschrift (Englisch: re-sampling oder mapping) zu ermitteln. Unter der Ermittlung kann eine numerische oder analytische Manipulation des Interferenzsignals verstanden werden: Die Zuordnungszuschrift kann zum Beispiel jeder optischen Frequenz f oder ω eine bestimmte räumliche Frequenz k zuordnen. In diesem Fall würde man von einer Transformation ω → k sprechen. Die Zuordnungszuschrift kann aber auch zum Beispiel einer spektralen Verteilung I(f), I(ω), G(f) oder G(ω) im optischen Frequenzraum eine spektrale Verteilung I(k) oder G(k) im räumlichen Frequenzraum zuordnen. In diesem Fall würde man von einer Transformation I(f) → I(k), I(ω) → I(k), G(f) → G(k) bzw. G(ω) → G(k) sprechen. Die Zuordnung kann eine Berechnung sein, wenn etwa das Interferenzsignal als eine analytische Funktion vorliegt. Die Zuordnung kann aber auch ein punkt- oder element-weises Zuweisen sein, wenn etwa das Interferenzsignal in diskreten Datenpunkten vorliegt. Zum Beispiel kann die Zuordnungsvorschrift als eine Ausgleichskurve oder Ausgleichskennlinie implementiert sein.
Unter Tiefe ist eine Messtiefe innerhalb des Objekts oder auf dem Objekt oder ein Messtiefenbereich, eine Schicht oder ein Segment des Objekts, insbesondere ein Messtiefenbereich, eine Schicht oder ein Segment des Objekts mit homogenem Brechungsindex zu verstehen. Unter Tiefe kann auch die Position einer Grenzfläche oder der Bereich um eine Grenzfläche innerhalb des Objekts und/oder auf dem Objekt verstanden werden. Eine Grenzfläche kann eine Fläche sein, welche zwei Bereiche des Objekts mit unterschiedlichen Brechungsindizes voneinander trennt und/oder welche einen der OCT dienenden Messstrahl reflektiert oder zurückstreut. Unter einer Grenzfläche kann eine optische Grenzfläche, eine Grenzschicht und/oder eine optische Grenzschicht verstanden werden. Unter Messtiefe kann auch die Eindringtiefe verstanden werden, bis zu der ein der OCT dienender Messstrahl in das zu untersuchende Objekt eindringt, bis der Messstrahl von dem Objekt zurückgestreut oder zurückreflektiert wird.
Bei der Ermittlung der Zwischensignale aus dem Interferenzsignal wird jedes der Zwischensignale für eine unterschiedliche Tiefe des Objekts dispersionskompensiert. Dies kann dadurch erfolgen, dass die von der Rechneranordnung ausgewählte Zuordnungsvorschrift für die jeweilige Tiefe an die durch das Objekt verursachte Dispersion angepasst ist: Die Auswahl der Zuordnungszuschriften durch die Rechneranordnung erfolgt derart, dass die Dispersion, die beim Durchlaufen eines bis zu der jeweiligen (Mess-)Tiefe vorgedrungenen Messstrahls durch das Objektmedium verursachte wurde, berücksichtigt und kompensiert wird. Durch Berücksichtigung einer Ausgleichskennlinie (mapping) bei der Transformation/Umrechnung der optischen Frequenz in die räumliche Frequenz kann die Dispersion durch das Objektmedium für den jeweils messtiefenabhängigen Brechungsindex in einer bestimmten Tiefe oder einem bestimmten (beispielsweise durch das räumliche Auflösungsvermögen der OCT-Vorrichtung vorgegebenen) Tiefenabschnitt eliminiert werden. Mit anderen Worten kann der gleiche Effekt durch angepasstes nichtlineares resampling der spektralen Komponenten des Interferenzsignals zur Gewinnung der Zwischensignale erzielt werden. Anstatt eines einzelnen Wertes des Brechungsindex kann dieser auch als (beispielsweise wellenlängenabhängiger und/oder ortsabhängiger) Brechungsindexverlauf verstanden werden.
Eine Zuordnungszuschriften kann demnach als eine resampling-Ausgleichskurve oder eine mapping-Kurve in der Rechneranordnung implementiert sein, anhand derer eine Abtastung des Interferenzsignals zur Gewinnung des Zwischensignals derart erfolgt, dass das Zwischensignal eine Periodendauer aufweist, die konstant über der räumlichen Frequenz ist. Die Zuordnungszuschrift kann den jeweiligen nicht-konstanten und nicht-linearen Verlauf der durch das Objektmedium bis zur Messtiefe verursachten Dispersion repräsentieren, wobei der Versauf angibt, wie die optische Frequenz von der räumlichen Frequenz räumlich/örtlich abhängt.
Da das Tomographiesignal letztlich eine Abbildung des Objekts sein soll, die bei verschiedenen Messtiefen die (theoretisch) höchst mögliche axiale Auflösung aufweist, entspricht die Anzahl der Zuordnungsvorschriften vorzugsweise der Anzahl der verschiedenen Messtiefen.
Bei der Fourier-Transformation handelt es sich vorzugsweise um eine Fast-Fourier-Transformation (kurz: FFT), anhand derer ein ortsaufgelöstes Abbildungssignal aus einem Zwischensignal wenig rechenintensiv und damit besonders schnell gewonnen werden kann.
Die Abbildungssignale werden schließlich mittels der Rechneranordnung zu einem Tomographiesignal zusammengefügt. Dabei kann die Rechneranordnung dazu eingerichtet sein, die in den Abbildungssignalen enthaltene Information derart zu verarbeiten, dass sich das Tomographiesignal in unterschiedliche Bereiche der Messtiefe gliedert. Ein einzelner Bereich kann sich ausschließlich aus Informationen eines einzelnen Abbildungssignals zusammensetzen. Insbesondere wird ein Bereich derart bestimmt, dass die Messtiefe, bei welcher das Abbildungssignal aufgrund der Dispersionskompensation die höchst mögliche axiale Auflösung aufweist, zentral/mittig in dem jeweiligen Bereich angeordnet ist, wobei die Bereiche insbesondere aneinander angrenzen können.
Die Rechneranordnung kann dazu eingerichtet sein, für jede Tiefe eine entsprechende Zuordnungsvorschrift vorab zu berechnen und in einem Speicher, beispielsweise in Form einer Nachschlagetabelle (Englisch: look-up table), zu hinterlegen. Alternativ ist denkbar, dass die Rechneranordnung dazu eingerichtet ist, für jede Tiefe eine Zuordnungsvorschrift mittels eines Modells des Objekts vorab zu berechnen.
Zusätzlich oder alternativ kann die Rechneranordnung dazu eingerichtet sein, eine Zuordnungsvorschrift für die jeweilige Tiefe anhand eines Algorithmus zur nachträglichen Phasenkorrektur des Interferenzsignals zu berechnen. Der Algorithmus ist zum Beispiel in Form einer sogenannten Autofokussierung implementiert. Dabei wird die zur Dispersionskompensation notwendige Phasenkorrektur automatisch berechnet.
Im Rahmen der Ermittlung einer Zuordnungsvorschriften, die eine Dispersion kompensieren soll, die durch das Objektmedium verursacht wurde, welches von dem Messstrahl bis zur (Mess-)Tiefe durchlaufen wurde, kann die (Mess-)Tiefe selbst sowie der messtiefenabhängige Brechungsindex bzw. der axiale messtiefenabhängige Brechungsindexverlauf des bis zur (Mess-)Tiefe vom Messstrahl durchlaufenen Objektmediums bestimmt werden.
Die Tiefen oder Tiefenbereiche können mittels Spitzendetektion (Englisch: peak detection) im Tiefenermittlungssignal ermittelt werden. Hierzu kann die Rechneranordnung dazu eingerichtet sein, zunächst ein Tiefenermittlungszwischensignal in einem räumlichen Frequenzbereich aus dem Interferenzsignal anhand einer vorgegebenen Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift (mapping) zu ermitteln. Das Tiefenermittlungszwischen-signal kann eine Intensität I oder eine normierte Intensität G repräsentieren. Durch ein Ermitteln eines ortsaufgelösten Tiefenermittlungsabbildungssignals durch Anwenden einer Fourier-Transformation auf das Tiefenermittlungszwischensignal ist es dann möglich, die unterschiedlichen Tiefen für die Zwischensignale auf Basis einer Detektion von Extrempunkten des Tiefenermittlungsabbildungssignals zu gewinnen, die lokale Änderungen des Brechungsindexes im Objekt repräsentieren. Die Ermittlung der Extrempunkte kann mit Hilfe von an sich bekannten, in der Rechneranordnung implementierten Bildverarbeitungsverfahren erfolgen.
Die Ermittlung des Tiefenermittlungszwischensignals mittels der Rechneranordnung kann durch eine numerische oder analytische Manipulation des Interferenzsignals erfolgen: Die Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift kann zum Beispiel jeder optischen Frequenz f oder ω eine bestimmte räumliche Frequenz k zuordnen. Die Tefenermittlungszuordnungsvorschrift kann aber auch einer spektralen Verteilung I(f), I(ω), G(f) oder G(ω) im optischen Frequenzraum eine spektrale Verteilung I(k) oder G(k) im räumlichen Frequenzraum zuordnen. Die Zuordnung kann eine Berechnung sein, wenn etwa das Interferenzsignal als eine analytische Funktion vorliegt. Die Zuordnung kann aber auch ein punkt- oder element-weises Zuweisen sein, wenn etwa das Interferenzsignal in diskreten Datenpunkten vorliegt. Zum Beispiel kann die Zuordnungsvorschrift als eine Ausgleichskurve oder Ausgleichskennlinie implementiert sein.
Die Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift kann vorgegeben und in einem Speicher der Rechneranordnung hinterlegt sein. Die Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift kann an eine vorgegebene Dispersion, beispielsweise an eine für eine bestimmte Tiefe durch das Objektmedium verursachte Dispersion angepasst sein. Diese Tiefe entspricht beispielsweise einem Erfahrungswert, der etwa in dem zu untersuchenden Bereich von Grenzflächen des Objekts liegt. Alternativ kann auf das Interferenzsignal auch eine Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift angewendet werden, bei welcher keine Dispersion des zu untersuchenden Objekts berücksichtigt ist.
Die Rechneranordnung kann ferner dazu eingerichtet sein, auf das Tiefenermittlungszwischensignal eine Fourier-Transformation, insbesondere eine Fast-Fourier-Transformation anzuwenden und ein ortsaufgelöstes Tiefenermittlungsabbildungssignals zu gewinnen. Vorzugsweise wird/werden mittels der Rechneranordnung anhand von Bildverarbeitung in dem Tiefenermittlungsabbildungssignal ein oder mehrere Extrempunkt(e) oder ein oder mehrere sonstige(r) die Tiefen-Position(en) einer/der Grenzfläche(n) repräsentierende(r) Punkt(e) des Tiefenermittlungsabbildungssignals ermittelt.
Zusätzlich oder alternativ können mittels der Rechneranordnung anhand von Bildverarbeitung auch messtiefenbezogene Abstände aus dem Tiefenermittlungsabbildungssignal, insbesondere ein oder mehrere Abstände von (Extrem-)punkten des Tiefenermittlungsabbildungssignals ermittelt werden. Auch ist denkbar, die beim Durchlaufen einer Schicht des Objekts erzeugte Dispersion zu ermitteln, welche von der durchlaufenen optischen Weglänge, insbesondere von der Schichtdicke und dem Brechungsindex dieser Schicht abhängt. Der Brechungsindex des Objektmediums kann beispielsweise anhand der Vorrichtung gemessen werden. Alternativ kann der Brechungsindex mittels der Rechneranordnung aus einem Modell des zu untersuchenden Objekts ermittelt werden, in welchem eine Mehrzahl von Brechungsindizes für unterschiedliche Bereiche, d. h. Schichten des zu untersuchenden Objekts hinterlegt sind.
Aus den vorgenannten Parametern kann mittels der Rechneranordnung die Dispersion und dann die zur Kompensation dieser Dispersionen erforderliche Zuordnungsvorschrift ermittelt werden. Mit anderen Worten: Eine Zuordnungsvorschrift wird vorzugsweise auf Basis der Tiefen-Positionen und/oder der gegenseitigen Abstände ausgewählter Punkte, insbesondere der Extrempunkte des Tiefenermittlungsabbildungssignals unter Berücksichtigung von einem oder mehreren Brechungsindizes berechnet, der/die für das Objektmedium in Bereichen bis zu den Positionen der Extrempunkte charakteristisch ist/sind.
Alternativ oder zusätzlich kann die Rechneranordnung auch dazu eingerichtet sein, eine Zuordnungsvorschrift durch Anwenden einer Hilbert-Transformation zu ermitteln.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, von denen
1 in schematischer Darstellung Elemente einer Vorrichtung zur optischen Kohärenztomographie nach einem Ausführungsbeispiel zeigt, und
2a bis 2f in schematischer Darstellung eine von der Vorrichtung aus 1 durchgeführte Dispersionskompensation zeigt.
Die Vorrichtung zur optischen Kohärenztomographie in 1 – dort allgemein mit 10 bezeichnet – dient zur Erstellung von Tomogrammen eines Objekts 12. Das Objekt 12 kann beispielsweise ein humanes Auge darstellen.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Lichtquelle 14 zur Emission kohärenten Lichts. Die Lichtquelle 14 ist beispielsweise als eine im optischen Frequenzraum durchstimmbare Lichtquelle ausgebildet oder dazu eingerichtet, ein im optischen Frequenzraum breitbandiges Spektrum kohärenten Lichts zu emittieren. Das von der Lichtquelle 14 emittierte Licht wird auf einen Strahlteiler 16 gerichtet. Der Strahlteiler 16 ist Bestandteil eines Interferometers 18 und spaltet die einfallende optische Leistung gemäß einem vorgegebenen Teilungsverhältnis, beispielsweise 50:50, auf. Der eine Strahl 20 verläuft innerhalb eines Referenzarms 22, der andere Strahl 24 (der Messstrahl) verläuft innerhalb eines Proben- oder Objektarms 26. Anstatt des in 1 dargestellten Freistrahl-Aufbaus (Englisch: free-space setup), kann das Interferometer 18 auch teilweise oder ganz mit Hilfe von faseroptischen Komponenten realisiert sein.
Das in den Referenzarm 22 abgezweigte Licht des Referenzstrahls 20 trifft auf einen Spiegel 28, der das Licht kollinear auf den Strahlteiler 16 zurückreflektiert. Das in den Probenarm 26 abgezweigte Licht des Messstrahls 24 trifft auf das zu untersuchende Objekt 12, welches das Licht in Richtung des Strahlteilers 16 zurückstreut oder zurückreflektiert. Dabei wird das Licht des Messstrahls 24 entlang der Propagationsrichtung des Messstrahls 24 in verschiedenen (Mess-)Tiefen z₁, z₂, z₃ und z₄ zurückreflektiert/zurückgestreut. Die Tiefen z₁–z₄ repräsentieren insbesondere Grenzflächen, welche jeweils Bereiche/Segmente des Objekts 12 mit unterschiedlichen Brechungsindizes voneinander trennen. Insofern können die Tiefen z₁–z₄ auch als die Positionen der Grenzflächen verstanden werden, bis zu denen der Messstrahl 24 durch- oder vorgedrungen ist, bevor er wieder kollinear zurückreflektiert oder zurückgestreut wird.
Innerhalb des Probenarms 22 können weitere (nicht dargestellte) optische Elemente und Stell-Komponenten vorgesehen sein, die dazu eingerichtet sind, den vom Strahlteiler 16 einlaufenden Messstrahl 24 auf das Objekt 12 zu fokussieren und die Fokuslage (beispielsweise in den lateralen Richtungen x, y oder in allen drei Raumrichtungen x, y, z, siehe hierzu das Koordinatensystem in 1) zu verstellen. Eine Rechneranordnung 30 kann die Stell-Komponenten zur Gewinnung von 1D, 2D- und/oder 3D-Tomogrammen steuern.
Das von dem Objekt 12 im Probenarm 26 zurückgestreute Licht wird am Strahlteiler 16 kollinear mit dem vom Spiegel 28 im Referenzarm 22 zurückreflektierten Licht zu einem Interferenzstrahl 32 überlagert. Die optischen Weglängen im Referenz- und Probenarm 22, 26 sind im Wesentlichen gleich lang, so dass der Interferenzstrahl 32 eine Interferenz zwischen den Teilstrahlen 20, 24 aus Referenz- und Probenarm 22, 26 zeigt. Ein beispielsweise eine oder mehrere Photodiode umfassender oder als Spektrometer ausgebildeter Detektor 34 erfasst die Intensität G(ω) des Interferenzstrahls 32 beispielsweise als eine Funktion der Kreisfrequenz ω. Das Interferenzsignal G(ω) stellt das Rohdatensignal der optischen Kohärenztomographie dar und wird an die Rechneranordnung 30 übertragen.
Die Tiefenpositionen z₁–z₄ der Grenzflächen innerhalb des Objekts 12 sind in der Phaseninformation des Interferenzsignals G(ω) kodiert. Die Phaseninformation des Interferenzsignals G(ω) unterliegt im Allgemeinen aber auch einern Einfluss durch Dispersion: Während der Messstrahl 24 bis zu den Tiefen z₁–z₄ durch- oder vordringt, sammeln die spektralen Komponenten des Messstrahls 24 eine Phase auf, welche von der optischen Weglänge, d. h. von der durchlaufenen Weglänge innerhalb des Objektmediums und von dem optischen Brechungsindex des Objektmediums abhängt.
Da der Brechungsindex des Objektmediums im Allgemeinen in nicht-konstanter und nicht-linearer Weise von der optischen Frequenz bzw. der Wellenlänge der spektralen Komponenten abhängt, kommt es zur Dispersion innerhalb des durchlaufenen Objektmediums. Die Dispersion bewirkt, dass die Periodendauer Δω im Interferenzsignal G(ω) für kleine Kreisfrequenzen ω kurz und für große Kreisfrequenzen ω lang, d. h. nicht konstant über ω ist. Die Dispersion kann letztendlich zu einer unscharfen Abbildung der Grenzflächen z₁–z₄ des Objekts 12 führen.
Wie in 2a bis 2f gezeigt, führt die Rechneranordnung 30 ausgehend von dem Interferenzsignal G(ω) (siehe 2a) eine Reihe von Verfahrensschritten zur Kompensation der Dispersion durch (siehe 2b bis 2e), um ein Tomogramm G(z) des Objekts 12 zu erhalten, in welchem die Grenzflächen mit der (theoretisch) höchst möglichen axialen Auflösung entlang z abgebildet sind (siehe 2f). Dieses Verfahren wird im Folgenden detailliert erläutert.
In 2a ist das Interferenzsignal G(ω) zu sehen, von dem das von der Rechneranordnung 30 durchgeführte Verfahren ausgeht. Die Funktion G(ω) beschreibt die Intensität des Interferenzstrahls 32 in einem optischen Frequenzbereich, hier repräsentiert durch die optische Kreisfrequenz ω.
Aus dem Interferenzsignal G(ω) wird zunächst eine Mehrzahl von Zwischensignalen in einem räumlichen Frequenzbereich ermittelt. Zwei solcher Zwischensignale G₁(k) und G₂(k) sind in 2d und 2e dargestellt. Die räumliche Frequenz wird hier durch die Wellenzahl k repräsentiert.
Jedes der Zwischensignale G₁(k), G₂(k) wird ausgehend vom Interferenzsignal G(ω) anhand einer Zuordnungsvorschrift ermittelt: Das Zwischensignal G₁(k) wird aus dem Interferenzsignal G(ω) anhand der Zuordnungsvorschrift M₁ ermittelt, während das Zwischensignal G₂(k) aus dem Interferenzsignal G(ω) anhand der Zuordnungsvorschrift M₂ ermittelt wird.
Die Zuordnungszuschriften M₁, M₂ ordnen der Verteilung G(ω) im optischen Frequenzraum jeweils eine Verteilung G₁(k) bzw. G₂(k) im räumlichen Frequenzraum k zu, d. h. M₁: G(ω) → G₁(k) und M₂: G(ω) → G₂(k). Die jeweilige Zuordnung kann eine Berechnung sein, wenn etwa das Interferenzsignal G(ω) als eine analytische Funktion vorliegt. Die Zuordnung kann aber auch ein punkt- oder element-weises Zuweisen sein, wenn etwa das Interferenzsignal G(ω) in diskreten Datenpunkten vorliegt.
Die Auswahl der Zuordnungszuschriften M₁, M₂ erfolgt derart, dass jedes der gewonnenen Zwischensignale G₁(k), G₂(k) für eine bestimmte Tiefe z₁, z₂ des Objekts 12 dispersionskompensiert ist, wobei z₁ ≠ z₂. Das bedeutet, dass das Zwischensignal G₁(k) eine für die (Mess-)Tiefe z₁ dispersionskompensierte Verteilung G₁(k) im räumlichen Frequenzraum k und das Zwischensignal G₂(k) eine für die (Mess-)Tiefe z₂ dispersionskompensierte Verteilung G₂(k) im räumlichen Frequenzraum k darstellt. Mit anderen Worten: Die Auswahl der Zuordnungszuschriften M₁, M₂ erfolgt derart, dass die Dispersion, die durch das von dem bis zur (Mess-)Tiefe z₁ bzw. z₂ vorgedrungenen Lichtstrahl 24 durchlaufene Objektmedium verursachte wurde, berücksichtigt und kompensiert wird. In diesem Sinne kann eine Zuordnungszuschrift M₁, M₂ als eine Dispersionskompensation verstanden werden.
Genauer gesagt sind die Zuordnungszuschriften M₁, M₂ jeweils als eine resampling-Ausgleichskurve oder eine mapping-Kurve implementiert, anhand derer eine Abtastung der Kurve G(ω) zur Gewinnung der Kurve G₁(k) bzw. G₂(k) derart erfolgt, dass die Zwischensignale G₁(k) und G₂(k) unterschiedliche Periodendauern Δk₁, Δk₂ aufweisen, die jeweils konstant über der räumlichen Frequenz k sind. Die Zuordnungszuschrift M₁, M₂ repräsentiert demnach den jeweiligen nicht-konstanten und nicht-linearen Verlauf der durch das Objektmedium bis zur Messtiefe z₁ bzw. z₂ verursachten Dispersion, wie die optische Frequenz ω von der räumlichen Frequenz k abhängt.
Da das Tomographiesignal letztlich eine Abbildung des Objekts 12 sein soll, die bei verschiedenen Messtiefen z₁, z₂ die höchst mögliche Auflösung entlang z aufweist, entspricht die Anzahl an Zuordnungsvorschriften M₁, M₂ der Anzahl an verschiedenen Messtiefen z₁, z₂.
Nach Ermittlung der Zwischensignale G₁(k), G₂(k) wird auf jedes der Zwischensignale G₁(k), G₂(k) eine Fast-Fourier-Transformation angewendet, woraus sich für jedes der Zwischensignale G₁(k), G₂(k) ein ortsaufgelöstes Abbildungssignal FFT₁, FFT₂ ergibt. Demnach entspricht das Abbildungssignal FFT₁ der Fourier-Transformierten von G₁(k) und das Abbildungssignal FFT₂ der Fourier-Transformierten von G₂(k).
Die Abbildungssignale FFT₁, FFT₂ werden dann zu dem in 2f gezeigten Tomographiesignal G(z) zusammengefügt: Dabei wird die in den Abbildungssignalen FFT₁, FFT₂ enthaltene Information derart verarbeitet, dass sich das Tomographiesignal G(z) im Bereich B₁ ausschließlich aus Informationen der Fourier-Transformierten FFT₁ des Zwischensignals G₁(k) und im Bereich B₂ ausschließlich aus Informationen der Fourier-Transformierten FFT₂ des Zwischensignals G₂(k) zusammensetzt, wobei die Bereiche B₁ und B₂ beispielsweise bei (z₁ + z₂)/2 aneinander anliegen. Mit anderen Worten: Die Bereich B₁, B₂ werden derart bestimmt, dass eine die Grenzfläche bei z₁ repräsentierende Spitze (Englisch: peak) zentral, also mittig im Bereich B₁ und ein die Grenzfläche bei z₂ repräsentierender Peak zentral im Bereich B₂ angeordnet sind.
Die anhand der Dispersionskompensation gewonnene Abbildungsschärfe des Tomographiesignals G(z) spiegelt sich in der Schmalheit der im Tomographiesignal G(z) abgebildeten Peaks bei z₁, z₂ wider, siehe 2f. Das Tomographiesignal G(z) repräsentiert einen sog. A-scan, d. h. ein eindimensionales Tomogramm des Objekts 12.
Die Zuordnungsvorschriften M₁, M₂ werden für die jeweiligen Tiefen z₁, z₂ anhand eines Algorithmus zur nachträglichen Phasenkorrektur des Interferenzsignals G(ω) berechnet. Der Algorithmus ist zum Beispiel in Form einer sogenannten Autofokussierung implementiert. Dabei wird die zur Dispersionskompensation notwendige Phasenkorrektur automatisch berechnet.
Da die Zuordnungsvorschriften M₁, M₂ Dispersionen kompensieren sollen, die durch das Objektmedium verursacht wurde, welches von dem Lichtstrahl 24 bis zur (Mess-)Tiefe z₁ bzw. z₂ durchlaufen wurde, ist hierzu die Tiefe z₁, z₂ selbst sowie der z-abhängige Brechungsindex des bis zur Tiefe z₁, z₂ durchlaufenen Objektmediums erforderlich.
Die Tiefen z₁, z₂ werden beispielsweise anhand der in 2b und 2c gezeigten Verfahrensschritte ermittelt, welche die Rechneranordnung durchführt. Dabei wird zunächst ein Tiefenermittlungszwischensignal Ğ(k) aus dem Interferenzsignal G(ω) anhand einer Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift T ermittelt. Das Tiefenermittlungszwischensignal Ğ(k) stellt eine von k abhängige Intensitätsverteilung Ğ dar, siehe 2b.
Die Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift T ordnet der Verteilung G(ω) im optischen Frequenzraum ω eine Verteilung Ğ(k) im räumlichen Frequenzraum k zu, d. h. T: G(ω) → Ğ(k). Die Zuordnung kann eine Berechnung sein, wenn etwa das Interferenzsignal G(ω) als eine analytische Funktion vorliegt. Die Zuordnung kann aber auch ein punkt- oder element-weises Zuweisen sein, wenn etwa das Interferenzsignal G(ω) in diskreten Datenpunkten vorliegt.
Die Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift T ist vorgegeben und in einem Speicher hinterlegt und kann an eine vorgegebene Dispersion, beispielsweise an eine für eine bestimmte Tiefe durch das Objektmedium verursachte Dispersion angepasst sein. Diese Tiefe entspricht beispielsweise einem Erfahrungswert, der etwa in dem zu untersuchenden Bereich von Grenzflächen z₁, z₂ des Objekts 12, vorzugsweise im Bereich von (z₁ + z₂)/2 liegt. Alternativ kann auf das Interferenzsignal G(ω) auch eine Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift T angewendet werden, bei welcher keine Dispersion des zu untersuchenden Objekts 12 berücksichtigt ist.
Im Anschluss daran wird auf das Tiefenermittlungszwischensignal Ğ(k) eine Fast-Fourier-Transformation FFT_T angewendet und ein ortsaufgelöstes Tiefenermittlungsabbildungssignals Ğ(z) gewonnen, siehe 2c. Die in G(z) gezeigten Peaks weisen eine charakteristische Peak-Breite auf, die darauf hindeutet, dass der in 2c gezeigte A-Scan Ğ(z) ”unscharf” ist.
Anhand von Bildverarbeitung werden die Extrempunkte E₁, E₂ des Tiefenermittlungsabbildungssignals Ğ(z) ermittelt, die ja gerade die Positionen z₁, z₂ der Grenzflächen, also die z-Positionen einer lokalen Änderung des Brechungsindexes im Objekt 12 repräsentieren.
Da der Abstand zweier Grenzflächen Auskunft darüber gibt, wie dick eine Schicht des Objektmediums ist, werden auch die Abstände |z₂ – z₁| der Extrempunkte E₁, E₂ im Tiefenermittlungsabbildungssignals Ğ(z) ermittelt. Die beim Durchlaufen einer Schicht erzeugte Dispersion hängt von der durchlaufenen optischen Weglänge ab, welche sich aus der Schichtdicke und dem Brechungsindex des Objektmediums dieser Schicht ergibt. Der Brechungsindex des Objektmediums kann beispielsweise anhand der OCT-Vorrichtung gemessen werden. Alternativ kann der Brechungsindex aus einem Modell des zu untersuchenden Objekts 12 ermittelt werden, in welchem eine Mehrzahl von Brechungsindizes für unterschiedliche Bereiche, d. h. Schichten des zu untersuchenden Objekts 12 hinterlegt sind.
Aus den vorgenannten Parametern werden nun die Dispersionen und dann die zur Kompensation dieser Dispersionen erforderlichen Zuordnungsvorschriften M₁, M₂ ermittelt. Man kann also sagen: Die Zuordnungsvorschriften M₁, M₂ werden auf Basis der Tiefen-Positionen z₁, z₂ und der gegenseitigen Abstände |z₂ – z₁| der detektierten Extrempunkte E₁, E₂ des Tiefenermittlungsabbildungssignals Ğ(z) unter Berücksichtigung von einem oder mehreren Brechungsindizes berechnet, der/die für das Objektmedium in Bereichen bis zu den Positionen z₁, z₂ der Extrempunkte E₁, E₂ charakteristisch ist/sind.
Alternativ oder zusätzlich können die Zuordnungsvorschriften M₁, M₂ durch Anwenden einer Hilbert-Transformation ermittelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0196477 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Drexler, W. & Fujimoto, J. G., Optical Coherence Tomography – Technology and Applications, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2008 [0006]
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Claims

Vorrichtung (10) zur optischen Kohärenztomographie (OCT), umfassend: – eine Signalerfassungseinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, ein Interferenzsignal (G(ω)) für ein abzubildendes Objekt (12) in einem optischen Frequenzbereich (ω) zu erfassen, und – eine Rechneranordnung (30), die dazu eingerichtet ist, – eine Mehrzahl von Zwischensignalen (G₁(k), G₂(k)) in einem räumlichen Frequenzbereich (k) aus dem Interferenzsignal (G(ω)) zu ermitteln, wobei jedes der Zwischensignale (G₁(k), G₂(k)) für eine unterschiedliche Tiefe (z₁, z₂) des Objekts (12) dispersionskompensiert ist, – ein ortsaufgelöstes Abbildungssignal (FFT₁, FFT₂) für jedes der Zwischensignale (G₁(k), G₂(k)) durch Anwenden einer Fourier-Transformation auf das jeweilige Zwischensignal (G₁(k), G₂(k)) zu ermitteln, und – ein Tomographiesignal (G(z)) aus den Abbildungssignalen (FFT₁, FFT₂) zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rechneranordnung (30) ferner dazu eingerichtet ist, jedes der Zwischensignale (G₁(k), G₂(k)) ausgehend vom Interferenzsignal (G(ω)) anhand einer Zuordnungsvorschrift (M₁, M₂) zu ermitteln, die für die jeweilige Tiefe (z₁, z₂) an die durch das Objekt (12) verursachte Dispersion angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Rechneranordnung (30) ferner dazu eingerichtet ist, für jede Tiefe (z₁, z₂) die entsprechende Zuordnungsvorschrift (M₁, M₂) vorab zu berechnen und in einem Speicher zu hinterlegen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Rechneranordnung (30) ferner dazu eingerichtet ist, eine Zuordnungsvorschrift (M₁, M₂) mittels eines Modells des Objekts (12) zu berechnen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Rechneranordnung (30) ferner dazu eingerichtet ist: – ein Tiefenermittlungszwischensignal (G(k)) in einem räumlichen Frequenzbereich (k) aus dem Interferenzsignal (G(ω)) anhand einer vorgegebenen Tiefenermittlungszuordnungsvorschrift (T) zu ermitteln, – ein ortsaufgelöstes Tiefenermittlungsabbildungssignal (Ğ(z)) durch Anwenden einer Fourier-Transformation (FFT_T) auf das Tiefenermittlungszwischensignal (Ğ(k)) zu ermitteln, und – die unterschiedlichen Tiefen (z₁, z₂) für die Zwischensignale (G₁(k), G₂(k)) auf Basis einer Detektion von Extrempunkten (E₁, E₂) des Tiefenermittlungsabbildungssignals (Ğ(z)) zu ermitteln, die lokale Änderungen des Brechungsindexes im Objekt (12) repräsentieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Rechneranordnung ferner dazu eingerichtet ist, die Zuordnungsvorschriften (M₁, M₂) auf Basis der Positionen (z₁, z₂) und/oder der gegenseitigen Abstände (|z₂ – z₁|) der detektierten Extrempunkte (E₁, E₂) des Tiefenermittlungsabbildungssignals (Ğ(z)) unter Berücksichtigung von einem oder mehreren Brechungsindizes zu berechnen, der/die für das Objektmedium in Bereichen bis zu den Positionen (z₁, z₂) der Extrempunkte (E₁, E₂) charakteristisch ist/sind.