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Innovation Messtechnik 2017

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Analyse und Optimierung eines optischen Tomografiesystems

Bernhard Haim

Bernhard Haim

Die optische Tomografie ist ein neuartiges bildgebendes Verfahren im Bereich der Medizintechnik, das zunehmende Bedeutung erlangt. Diese Technologie verwendet nahinfrarotes (NIR) Licht, um mit einer oder mehreren Quellfasern Gewebe zu durchstrahlen. Das vielfachgestreute und wieder emittierte Licht wird dabei von einer Detektoreinheit erfasst. Ein Modell der Lichtausbreitung in diffusen Medien (das sogenannte Vorwärtsmodell) dient dazu, das inverse Bildgebungsproblem zu lösen. Dies bedeutet, dass die ortsaufgelösten optischen Eigenschaften (Absorption und Streuung) des untersuchten Gewebes rekonstruiert und üblicherweise in Form von Schnittbildern dargestellt werden. Die Anwendungsgebiete der optischen Tomografie liegen derzeit vorwiegend im Bereich der Tumordetektion bei Brustuntersuchungen und Gehirnaufnahmen.

Diese Arbeit beschäftigt sich anhand von Messungen mit einer eingehenden Analyse eines optischen Tomografiesystems, das im Rahmen einer Dissertation entwickelt wurde. Das Tomografiesystem arbeitet nach dem Frequenzbereichsverfahren, d.h. intensitätsmoduliertes Licht wird in das zu untersuchende Medium eingekoppelt, und das an einer anderen Oberflächenposition detektierte Signal weist dieselbe Frequenz aber eine Amplitudenabschwächung und Phasenverschiebung auf. Aus den Messungen der Amplitudenverhältnisse und der Phasendifferenzen an verschiedenen Positionen lassen sich Informationen über die optischen Eigenschaften des Mediums gewinnen. Es können hierdurch Inhomogenitäten detektiert werden, die einen Absorptions- bzw. Streuungskontrast zu ihrer Umgebung aufweisen. Als charakteristisches Merkmal besitzt das hier vorgestellte Messsystem nur eine Quell- und eine Detektorfaser. Diese sind in einem Messkopf integriert und scannen mit einer Verfahreinheit zweidimensional über die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts.

Es wurden sowohl Versuchsreihen mit eigens angefertigten technischen Proben (aus Polyesterharz) als auch in-vivo Messungen durchgeführt, wobei hierbei die Detektion eines bekannten Lipoms (es handelt sich hierbei um einen gutartigen Tumor der Fettgewebszellen) im Unterarm einer Versuchsperson einen Schwerpunkt bildete. Aufbauend auf neuen Erkenntnissen wurden Optimierungen vorgenommen, welche die Handhabbarkeit des Tomografiesystems vereinfachen und eine hohe Qualität der Resultate sicherstellen. Dies umfasst unter anderem die Programmierung von Bedienoberflächen für die Datenerfassung bzw. Rekonstruktion, sowie die Ermittlung von geeigneten Parameterzusammenhängen für die Messungen und die Rekonstruktion der Schnittbilder.

Abbildung 1: Detektion eines Lipoms im Unterarm einer Versuchsperson (die zugehörigen Schnittbilder sind in Abb. 2 zu sehen); im linken Bild ist der gewählte Messbereich strichliert eingezeichnet.
Abbildung 1: Detektion eines Lipoms im Unterarm einer Versuchsperson (die zugehörigen Schnittbilder sind in Abb. 2 zu sehen); im linken Bild ist der gewählte Messbereich strichliert eingezeichnet.

Abbildung 1: Detektion eines Lipoms im Unterarm einer Versuchsperson (die zugehörigen Schnittbilder sind in Abb. 2 zu sehen); im linken Bild ist der gewählte Messbereich strichliert eingezeichnet.

Abbildung 2: Rekonstruierte Schnittbilder einer Lipom–Detektions–Messung; die tatsächliche Lage bzw. die ungefähre maximale Ausdehnung des Lipoms sind strichliert eingezeichnet.

Abbildung 2: Rekonstruierte Schnittbilder einer Lipom–Detektions–Messung; die tatsächliche Lage bzw. die ungefähre maximale Ausdehnung des Lipoms sind strichliert eingezeichnet.

Februar 2006