8.4.1. Az optikai koherencia tomográfia

Az optikai koherencia tomográfia (Optical Coherence Tomography, OCT) olyan képalkotó eljárás, amely alkalmas moderált fényszórási tulajdonságokkal rendelkező közegek nagy mélységi feloldású, akár 3 dimenziós szerkezeti vizsgálatára. Tulajdonképpen az ultrahangos képalkotás optikai analógiájának tekinthető, azonban annál akár két nagyságrenddel jobb, 1-1,5 µm térbeli feloldóképességgel rendelkezhet. Míg az ultrahangok esetén a mélységi információt a hang visszaverődésének késleltetési idejéből származtatják, az OCT esetén interferometrikus módszert alkalmaznak. Az OCT felvételek a reflexiós/fényszórási tulajdonságoknak a térbeli eloszlását mutatják.

Az OCT legegyszerűbb változatának működési elve megegyezik a fehér fényű interferencia mikroszkópéval, vagy éppen a fehérfényű optikai profilométerével. A készülék alapját egy Michelson-féle interferométer képezi: egy fényforrásból kiinduló nyalábot egy féligáteresztő tükörrel ketté osztanak, majd egy bizonyos távolság megtétele után egy-egy tükörről visszaverődve a nyalábosztó újból egyesíti és egy detektorra irányítja őket. 

Feltételezzük, hogy az interferométerben egy monokromatikus, koherens fényű lézert használunk. Ha a két nyaláb a pontosan ugyanakkora utat tett meg a detektorig, akkor fázisban vannak, konstruktív interferencia jön létre. Ha valamely tükröt mozgatjuk, akkor a Δl útkülönbségnek megfelelően a két nyaláb hol erősíteni, hol pedig gyengíteni fogja egymást, a detektor a tükör helyzetének függvényében egy periodikus jelet fog mérni. A jel modulációja annál nagyobb, minél kisebb a különbség a két nyaláb intenzitása között: 

.

Az interferenciához koherens nyalábokra van szükség, ezért ha egy kis koherencia hosszal rendelkező fényforrást alkalmazunk, akkor interferenciát csak addig kapunk, amíg a két nyaláb közötti útkülönbség kisebb lesz a koherencia hossznál. A koherencia hossznál jóval nagyobb útkülönbségek esetén a detektor csak a ráeső nyalábok összintenzitását méri. Elegendően alacsony koherencia hossznál a mintát (visszaverődés helyét) képező tükör helyzetét könnyen megkapjuk, ha a referencia tükör mozgatásával megkeressük azt a helyet ahol a legerősebb a detektoron mért jel, az interferencia által okozott legnagyobb modulációs mélységből pedig következtetni lehet a visszavert intenzitásra. A koherenciahossz fordítottan arányos a fényforrás sávszélességével, azaz minél szélesebb a spektrum, annál kisebb a koherencia hossz. Gauss alakú λ középponti hullámhosszú és Δλ szélességű spektrum esetén a mélységi feloldóképesség a következőképpen számítható ki:

.

Az oldalirányú feloldóképességet az optikai mikroszkópokhoz hasonlóan a diffrakció határozza meg, nagy numerikus apertúrájú objektívek esetén hullámhossz közeli értékű.

A készülék vázlatos felépítése a mellékelt ábrán látható. Az OCT készülékekben széles spektrumú nagyfényerejű szuperlumineszcens LED fényforrásokat (Superluminescent Light Emitting Diodes, SLED, melyeket helyenként tévesen SLED lézereknek neveznek), lézergerjesztett ún. szuperkontínuum fényforrásokat vagy femtoszekundumos impulzushosszú, nagy sávszélességű lézereket alkalmaznak. Az interferométert optikai szálakból alakítják ki, a mintát tartalmazó karban levő optika a szálból kilépő lézerfényt a minta adott pontjába fókuszálja, majd pedig ugyan innen az optikai szálba gyűjti a visszaszórt/visszavert fény. Ez a leképező optika bizonyos fókuszmélységgel rendelkezik és a referenciatükör mozgatásával ezt az „éleslátási” tartományt pásztázzák végig. A mélységi szkennert képező referencia tükör mozgatását és a 3D képalkotáshoz szükséges XY eltolást nagysebességű piezoelektromos szkennerek végzik. Az ultrahang vizsgálatban használatos terminológiák alapján adott X-Y koordinátán felvett mélységi (axiális) profilt A-szkennek,  a több A-szkenből létrehozott 2D profilt B-szkennek hívják. Egy teljes kép rögzítéséhez szükséges időt leginkább a felbontás határozza meg, az A-szken ismétlési frekvenciája általában a kHz-es tartományokba esik.

8.14. ábra   Szemfenékről készített OCT felvétel keresztmetszeti (B-szken) és 3D nézetben.

Az eddig leírt mérési módszert time-domain OCT-nek hívják. Jóval nagyobb sebesség (akár 10⁶ A-szken/s, valós idejű OCT) érhető el az ún. frequency-domain OCT-vel. Ez utóbbi módszer lényege, hogy a mélységi profilt nem a referencia tükör mozgatásával, hanem mozdulatlan tükör mellett a detektorra beeső fény spektrális jellemzőiből számítják ki. Erre két lehetőség van: mérik a detektor jelét, miközben az interferométerbe kerülő fény hullámhosszát folytonosan változtatják, vagy egyszerre a teljes spektrummal világítják meg a mintát és a detektort egy spektrométerrel helyettesítik. Az így kapott spektrum Fourier-transzformációjából megkapható a time-domain OCT A-szkenjével egyenértékű mélységi profil. A szkennelési sebesség növelésének másik módja a CCD chipek alkalmazása. Vonal (1D) CCD alkalmazásával egyetlen z irányú szkenneléssel egy teljes B-szken rögzíthető, míg egy képalkotó (2D) CCD alkalmazásával egyszerre egy teljes 3-dimenziós OCT kép rögzíthető. A sebességet ezeknél a módszereknél a CCD chipek relatíve alacsony kiolvasási sebessége korlátozza.