Ultraschnelle optische Kohärenztomographie an humanen Stimmlippen

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autorschaft

  • Miroslav Žabić

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Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoctor rerum naturalium
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Alexander Heisterkamp, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades15 Dez. 2023
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 18 Juni 2024

Abstract

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.

Zitieren

Ultraschnelle optische Kohärenztomographie an humanen Stimmlippen. / Žabić, Miroslav.
Hannover, 2024. 124 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Žabić, M 2024, 'Ultraschnelle optische Kohärenztomographie an humanen Stimmlippen', Doctor rerum naturalium, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/17541
Žabić, M. (2024). Ultraschnelle optische Kohärenztomographie an humanen Stimmlippen. [Dissertation, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover]. https://doi.org/10.15488/17541
Žabić M. Ultraschnelle optische Kohärenztomographie an humanen Stimmlippen. Hannover, 2024. 124 S. doi: 10.15488/17541
Žabić, Miroslav. / Ultraschnelle optische Kohärenztomographie an humanen Stimmlippen. Hannover, 2024. 124 S.
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TY - BOOK

T1 - Ultraschnelle optische Kohärenztomographie an humanen Stimmlippen

AU - Žabić, Miroslav

PY - 2024/6/18

Y1 - 2024/6/18

N2 - 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.

AB - 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.

U2 - 10.15488/17541

DO - 10.15488/17541

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -