Optische Kohärenztomografie

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 26. September 2017
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Die optische Kohärenztomografie (OCT) als nichtinvasives bildgebendes Verfahren findet hauptsächlich Anwendung in der Medizin. Dabei bilden die unterschiedlichen Reflexions- und Streuungseigenschaften verschiedener Gewebe die Grundlage dieser Methode. Als relativ neues Verfahren etabliert sich die OCT derzeit auf immer mehr Anwendungsgebieten.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die optische Kohärenztomografie?

Die physikalische Grundlage der optischen Kohärenztomografie ist die Entstehung eines Interferenzmusters bei der Wellenüberlagerung von Referenzwellen mit reflektierten Wellen. Entscheidend ist die Kohärenzlänge des Lichtes.

Die Kohärenzlänge stellt den maximalen Laufzeitunterschied zweier Lichtstrahlen dar, die bei ihrer Überlagerung noch die Entstehung eines stabilen Interferenzmusters erlaubt. Bei der optischen Kohärenztomografie wird Licht mit geringer Kohärenzlänge mithilfe eines Interferometers dazu verwendet, die Entfernungen streuender Materialien zu bestimmen.

Dazu wird in der Medizin der zu untersuchende Körperbereich punktförmig abgetastet. Das Verfahren erlaubt eine gute Tiefenuntersuchung aufgrund der hohen Eindringtiefe (1-3 mm) der verwendeten Strahlung ins streuende Gewebe. Gleichzeitig besteht auch eine hohe axiale Auflösung bei hoher Messgeschwindigkeit. Die optische Kohärenztomografie stellt somit das optische Pendant der Sonografie dar.

Funktion, Wirkung & Ziele

Das Verfahren der optischen Kohärenztomografie beruht auf der Weißlichtinterferometrie. Es nutzt die Überlagerung von Referenzlicht mit reflektiertem Licht unter Bildung eines Interferenzmusters. Dabei kann das Tiefenprofil einer Probe bestimmt werden. Das bedeutet für die Medizin die Untersuchung tieferer Gewebeabschnitte, die mit der klassischen Mikroskopie nicht erreicht werden können. Besonders zwei Wellenlängenbereiche sind für die Messungen interessant.

Das ist zum einen der Spektralbereich bei einer Wellenlänge von 800 nm. Dieser Spektralbereich liefert eine gute Auflösung. Zum Anderen dringt Licht mit einer Wellenlänge von 1300 nm besonders tief ins Gewebe ein und erlaubt eine besonders gute Tiefenanalyse. Heute kommen vor allem zwei Anwendungsmethoden der OCT zum Einsatz, die Time Domain OCT Systeme und die Fourier Domain OCT Systeme. Bei beiden Systemen wird das Anregungslicht über ein Interferometer in Referenz- und Probenlicht aufgeteilt, wobei es mit der reflektierten Strahlung zur Interferenz kommt.

Auf dem Gebiet der Augendiagnostik erweist sich die OCT als sehr vorteilhaft, hier wird hauptsächlich der Augenhintergrund mot OCT untersucht.

Durch laterale Ablenkung des Probestrahls über dem Untersuchungsgebiet werden Schnittbilder aufgenommen, die zu einer Gesamtaufnahme fusioniert werden. Das Time Domain OCT System basiert auf kurzkohärentem, breitbandigem Licht, welches nur dann ein Interferenzsignal erzeugt, wenn beide Armlängen des Interferometers übereinstimmen. So muss die Position des Referenzspiegels zur Bestimmung der Rückstreuamplitude durchfahren werden. Durch die mechanische Bewegung des Spiegels ist der Zeitaufwand für die Darstellung zu hoch, sodass diese Methode nicht zur schnellen Bildgebung geeignet ist.

Das alternative Verfahren der Fourier Domain OCT arbeitet nach dem Prinzip der spektralen Zerlegung des interferierten Lichtes. Damit wird gleichzeitig die gesamte Tiefeninformation aufgenommen und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wesentlich verbessert. Als Lichtquellen dienen Laser, welche die zu untersuchenden Körperstellen schrittweise abtasten. Die Anwendungsgebiete der optischen Kohärenztomografie liegen vor allem in der Medizin und hier besonders in der Augenheilkunde, der Krebsdiagnostik und der Hautuntersuchung. Die unterschiedlichen Brechungsindizes an den Grenzflächen der betreffenden Gewebeabschnitte werden über die Interferenzmuster des reflektierten Lichtes mit dem Referenzlicht bestimmt und als Bild dargestellt.

In der Augenheilkunde wird hauptsächlich der Augenhintergrund untersucht. Konkurrierende Techniken, wie beispielsweise das Konfokalmikroskop, können die Schichtstruktur der Netzhaut nur unzureichend abbilden. Bei anderen Verfahren wird das menschliche Auge teilweise zu stark belastet. Gerade auf dem Gebiet der Augendiagnostik erweist sich daher die OCT als sehr vorteilhaft, zumal auch das berührungslose Messen Infektionsrisiken und psychische Belastungen ausschließt. Zurzeit eröffnen sich für die OCT neue Perspektiven auf dem Gebiet der kardiovaskulären Bildgebung.

Die intravaskuläre optische Kohärenztomografie basiert auf den Einsatz von Infrarotlicht. Hier liefert die OCT Informationen über Plaques, Dissektionen, Thromben oder auch Stentdimensionen. Außerdem dient sie auch zur Charakterisierung von morphologischen Veränderungen der Blutgefäße. Neben medizinischen Anwendungen erobert die optische Kohärenztomografie zunehmend auch Anwendungsgebiete in der Materialprüfung, für die Überwachung von Produktionsprozessen oder in der Qualitätskontrolle.

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Risiken, Nebenwirkungen & Gefahren

Gegenüber anderen Methoden besitzt die optische Kohärenztomografie viele Vorteile. Es ist ein nichtinvasives und berührungsloses Verfahren. Das ermöglicht die weitgehende Vermeidung der Übertragung von Infektionen und das Auftreten von psychischen Belastungen. Des Weiteren wird bei der OCT keine ionisierende Strahlung verwendet.

Die eingesetzte elektromagnetische Strahlung entspricht weitgehend den Frequenzbereichen, denen der Mensch täglich ausgesetzt ist. Ein großer Vorteil der OCT ist auch, dass die Tiefenauflösung nicht von der transversalen Auflösung abhängig ist. Die in der klassischen Mikroskopie angewandten Dünnschnitte fallen dadurch weg, weil das Verfahren auf rein optischer Reflexion beruht. So können durch die große Eindringtiefe der verwendeten Strahlung mikroskopische Bilder im lebenden Gewebe erzeugt werden.

Das Wirkungsprinzip des Verfahrens ist sehr selektiv, sodass auch bereits sehr kleine Signale detektiert und einer bestimmten Tiefe zugeordnet werden können. Deswegen eignet sich die OCT auch besonders gut dafür, lichtempfindliche Gewebe zu untersuchen. Beschränkungen des Einsatzes der OCT ergeben sich durch die wellenlängenabhängige Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung und die bandbreitenabhängige Auflösung. Allerdings wurden seit dem Jahre 1996 Breitband-Laser entwickelt, welche die Tiefenauflösung noch weiter vorangetrieben haben.

So können seit der Entwicklung der UHR-OCT (ultra-high resolution OCT) sogar subzelluläre Strukturen in menschlichen Krebszellen dargestellt werden. Da die OCT noch ein sehr junges Verfahren ist, sind noch nicht alle Möglichkeiten ausgeschöpft. Attraktiv ist die optische Kohärenztomografie aber deshalb, weil sie keine gesundheitliche Belastung darstellt, eine sehr hohe Auflösung besitzt und sehr schnell ist.

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Quellen

  • Augustin, A.J.: Augenheilkunde. Springer, Berlin 2007
  • Herold, G.: Innere Medizin. Selbstverlag, Köln 2016
  • Pfeifer, B., Preiß, J., Unger, C. (Hrsg.): Onkologie integrativ. Urban & Fischer, München 2006

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