Ultraschnelle optische Kohärenztomographie an humanen Stimmlippen
Creators: name: Zabic, Miroslav
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: optical coherence tomography
subject: signal processing
subject: laryngoscopy
subject: Optische Kohärenztomografie
subject: Signalverarbeitung
subject: Laryngoskopie
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::530 | Physik

description: Die optische Kohärenztomographie (OCT, engl. optical coherence tomography) ist ein nicht-invasives, dreidimensionales Bildgebungsverfahren, das hochauflösende Schnittbilder von biologischem Gewebe erstellt. Dabei sind Bildgebungstiefen von mehreren hundert Mikrometern in Gewebe bei optischen Auflösungen im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich typisch. Das Haupteinsatzfeld der OCT ist die Ophthalmologie, in der sie vor allem zur Diagnose von netzhautbetreffenden Augenerkrankungen eingesetzt wird. Neben dieser Hauptanwendung werden im biomedizinischen Bereich weitere Einsatzmöglichkeiten der OCT erforscht. Insbesondere endoskopische OCT-Anwendungen zeigen großes Potenzial, etablierte Diagnosemethoden wie die Entnahme von Gewebeproben für histologische Untersuchungen zu ergänzen oder in bestimmten Fällen zu ersetzen. Speziell bei der Diagnose von Stimmlippenerkrankungen bietet OCT die Möglichkeit, Biopsien zu ersetzen, welche zu Narbenbildungen und folglich zu dauerhaften Veränderungen der Stimme führen können. Seit einigen Jahren sind durchstimmende Lichtquellen verfügbar, die eine ultraschnelle OCT-Bildgebung mit über einer Million axialer Linienprofile pro Sekunde ermöglichen. Solch eine schnelle OCT-Bildgebung wird als MHz-OCT bezeichnet. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines starren, gekrümmten Endoskops für die Bildgebung von Stimmlippen mittels MHz-OCT. Anhand durchgeführter Optiksimulationen wurde ein Strahlengangdesign entwickelt, das auf handelsüblichen Linsen basiert. Diese Linsen wurden in ihrem Durchmesser angepasst und in ein gekrümmtes Endoskopgehäuse integriert. Das Gehäuse wurde mittels Rapid-Prototyping-Verfahren aus einem biokompatiblen Material (PolyJet MED610 von Stratasys Ltd.) gefertigt. Mit dem umgesetzten MHz-OCT-System können Schnittbilder mit einer Rate von über 3000 Hz erfasst werden. Diese hohe Bildrate eignet sich für die Darstellung dynamischer Prozesse, wie etwa der Vibration der Stimmlippen während der Phonation. Zur Erzeugung der Bilddaten müssen die erfassten OCT-Rohdaten zunächst verarbeitet werden. Dafür wurde eine Softwarelösung entwickelt, die OCT-Signalverarbeitung und Visualisierung auf einer Grafikkarte durchführt. Ein Plugin-Konzept ermöglicht die Integration zusätzlicher Hard- und Softwaremodule. Unter Verwendung dieses Konzepts wurde eine Arbeitsabstandsregelung realisiert, welche notwendig ist, da die Position der Stimmlippen interindividuell variiert. Die anatomisch bedingten Unterschiede können mehrere Zentimeter betragen, wohingegen die OCT-Bildgebungstiefe in Luft lediglich im Millimeterbereich liegt. Die Arbeitsabstandsregelung erfolgt durch Anpassung der Fokusposition des OCT-Strahls mittels einer Flüssiglinse sowie durch Einstellung der OCT-Referenzarmlänge durch einen motorisierten Linearverfahrtisch. Eine Herausforderung, die dabei gelöst wurde, ist die Umsetzung einer automatisierten Detektion der Probe, die zwischen regulärem Probensignal und Spiegelartefakt unterscheiden kann. Unter Spiegelartefakt versteht man hierbei das Probensignal, welches entsteht, wenn die Probe außerhalb des OCT-Bildbereichs gerät und infolgedessen umgekehrt dargestellt wird. Um kleine, hochfrequente Bewegungen, wie sie z. B. durch Handtremor beim Halten des Endoskops hervorgerufen werden können, auszugleichen, wurde eine digitale Bildstabilisierung implementiert. Diese hält die im Schnittbild detektierte Probenoberfläche auf einer festgelegten Höhe im Ausgabefenster, indem das Schnittbild entgegen der ungewollten Verschiebung versetzt wird. Im Vergleich zu bisherigen, aus der Literatur bekannten, OCT-Laryngoskopen ist das System dieser Arbeit das erste mit einer MHz-OCT-Bildgebung und einer automatisierten Arbeitsabstandsregelung mit einer Probendetektion, die reguläres Probensignal und Spiegelartefakt unterscheiden kann.
description: Optical coherence tomography (OCT) is a non-invasive, three-dimensional imaging technique that produces high-resolution cross-sectional images of biological tissue. It typically achieves imaging depths of several hundred micrometers in tissue, with optical resolutions ranging from single to double-digit micrometers. While ophthalmology remains the primary application for OCT, especially in diagnosing retina-related eye diseases, there is growing interest in its broader biomedical applications. Notably, endoscopic OCT applications offer promising potential, either complementing or, in specific cases, replacing traditional diagnostic methods such as tissue biopsy for histological analysis. Particularly in diagnosing vocal fold disorders, OCT could substitute for biopsies, which might lead to scar formation, potentially causing a permanent alteration of the voice. For several years, swept-source lasers have been available, enabling ultra-fast OCT imaging with over a million axial line profiles per second. This high-speed OCT imaging is termed MHz-OCT. This thesis focuses on the design and development of a rigid, curved endoscope for imaging the vocal folds using MHz-OCT. Based on optical simulations, a design utilizing commercially available lenses was developed. The diameters of these lenses were adjusted to fit within a curved endoscope housing. This housing was produced from a biocompatible material (PolyJet MED610 by Stratasys Ltd.) using rapid prototyping methods. The implemented MHz-OCT system enables the acquisition of cross-sectional images at rates exceeding 3000 Hz. These high acquisition rates are beneficial for capturing dynamic processes, such as the vibration of vocal folds during phonation. Acquired OCT raw data must first be processed to generate the corresponding image data. For this purpose, a software tool was designed to perform OCT signal processing and visualization on a single graphics card. A modular plugin architecture was incorporated to allow for the integration of additional hardware and software components. Using this concept, a working distance control was implemented, which is necessary due to the interindividual variation in the position of the vocal cords. The anatomical differences can amount to several centimeters, whereas the OCT imaging depth in air is limited to the millimeter range. The working distance is adjusted by modifying the focus position of the OCT beam with a liquid lens and by altering the OCT reference arm length using a motorized linear translation stage. One challenge that was overcome involved implementing an automated sample detection system capable of distinguishing between a regular sample signal and a mirror artifact. A mirror artifact occurs when the sample moves out of the OCT imaging range, resulting in an image that is displayed upside-down. To compensate for small, high-frequency movements, such as hand tremors during endoscope handling, digital image stabilization was integrated. This ensures that the detected sample surface in the cross-sectional image remains at a set height within the output window by adjusting the cross-sectional image to counteract any unintended movement. In comparison to OCT-laryngoscopes previously published in the literature, the system presented in this thesis is the first to incorporate MHz-OCT imaging and an automated working distance control with a sample detection capability that can distinguish between regular sample signals and mirror artifacts.