Direkt zum Inhalt | Direkt zur Navigation

Eingang zum Volltext

Lizenz

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-77106
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7710/


Aljasem, Khaled

Integrated micro-optics for endoscopic optical coherence tomography

Integrierte Mikrooptik für endoskopische optische Kohärenztomographie

Dokument1.pdf (6.886 KB) (md5sum: ce7b36b4c85f8683549fa94defb302e6)

Kurzfassung in Englisch

Optical coherence tomography is an emerging medical approach for micron-resolution cross-sectional imaging of biological tissue. The combination of OCT with endoscopy emerged a new clinical field of research: optical biopsy. This approach allows medicine to study internal human tissues without removing parts of them.

We provide endoscopic OCT with tunable micro-optics to improve its functionality while keeping its size within acceptable geometrical dimensions. The tunable micro-optics discussed in this thesis are 1) pneumatically-actuated tunable micro-lens and 2) electrostatically-actuated scanning micro-mirror. The tunable micro-lens allows tuning the focal point to improve the endoscopic image quality and thus to help medicine to improve the endoscopic diagnostic decisions. The scanning micro-mirror allows a two dimensions scan of the focal point so that OCT can produce three-dimensional images.

The major part of the thesis seeks to demonstrate the suitability of the tunable micro-lens for endoscopic OCT. The tunable micro-lens must fulfill a number of features: acceptable optical quality, miniaturizability, and the ability to be combined with the scanning micro-mirror for three-dimensional imaging.

To determine these factors, typical time-domain OCT and an en-face OCT systems were developed. Both systems have an axial resolution of approximately 20 µm in air. These OCT systems demonstrated the functionality of the tunable micro-lens and the scanning micro-mirror as well as the combination of the two microsystems.

The optical quality of the objective micro-lens was determined by its lateral resolution, which lies between 15 µm and 25 µm. The lateral resolution was improved to lie between 4 µm and 8 µm by combining the tunable micro-lens with a fixed focal lens, yielding a multi-micro-lens system. The resolution was determined for the lens systems and for OCT employing these systems. Both measurements demonstrated the improvements of the optical quality of the multi-micro-lens system, which promises applications for cellular and subcellular imaging.

The thesis has proven the ability of the micro-lens to be miniaturized in endoscopic dimensions. A tunable micro-lens with a 3 mm in diameter and 1 mm aperture was presented and integrated with a miniaturized scanning micro-mirror in an endoscopic OCT probe. Due to the final-probe diameter of less than 4 mm as well as the suitability for fiber optical endoscopic probe, the probe can access a large portion of internal human parts.

As in reality, the micro-lens must be integratable with the scanning micro-mirror. The integration of both micro-optical system yields a new functionality: a three-dimensional micro-scanner. This utility was demonstrated by combing the micro-lens with the scanning micro-mirror. The new scanning system was used in OCT to obtain high lateral resolution three-dimensional images. The newly developed system allows emerging a new generation of endoscopic OCT probes with multi functionalities for advanced endoscopic OCT imaging.


Kurzfassung in Deutsch

Die optische Kohärenztomographie ist eine neu entstehende medizinische Methode für die Aufnahme von Querschnittsbildern biologischen Gewebes im Mikrometermaßstab. Die Kombination von OCT mit Endoskopie eröffnete ein neues klinisches Forschungsfeld: Optische Biopsie. Dieser Ansatz erlaubt es der Medizin, körperinneres menschliches Gewebe zu untersuchen, ohne Teile davon zu entfernen. Diese Arbeit befasst sich mit endoskopischer OCT mit einstellbarer Mikrooptik, die die Funktionalität verbessert und die Größe innerhalb akzeptabler geometrischer Dimensionen hält.

Die verstimmbaren Mikrooptiken, welche in dieser Arbeit diskutiert werden sind 1) eine druckgesteuerte verstimmbare Mikrolinse und 2) ein elektrostatisch aktuierter Mikrospiegel. Die einstellbare Mikrolinse bietet der endoskopische OCT ein fortschrittliches Instrument, um die Fokuslänge zu vergrößern, was zu einer Verbesserung der Bildqualität führt und somit in der Medizin zur Verbesserung der endoskopischen Diagnose-Entscheidung führt. Der Mikrokippspiegel erlaubt eine zweidimensionale Aufnahme des Schwerpunktes, so dass mit der OCT dreidimensionale Bilder erzeugt werden können.


In dieser Arbeit werden die/einige Besonderheiten behandelt, die erfüllt sein müssen, um den Nutzen der Mikrolinse für die endoskopische OCT aufzuzeigen: akzeptable optische Qualität, die Fähigkeit zur Verkleinerung und die Möglichkeit der Kombination mit einem Mikrokippspiegel, um dreidimensionale OCT-Bilder aufzunehmen.

Um diese Faktoren zu bestimmen, wurde ein typisches time-domain OCT System und ein en-face OCT System entwickelt. Beide Systeme haben eine axiale Auflösung von ungefähr 20 µm in Luft. Die Systeme zeigten sowohl die Funktionalität der verstimmbaren
Mikrolinse und des Mikrokippspiegels, als auch die Kombination dieser beiden Mikrosysteme.

Die optische Qualität der Linse wurde durch ihre laterale Auflösung bestimmt, welche in einem Bereich zwischen 15 µm und 25 µm liegt. Durch Kombination mit einer
Linse mit fester Brennweite, was zum einem Multi-Mikrolinsen-System führt, wurde die laterale Auflösung verbessert und liegt nun in einem Bereich zwischen 4 µm and 8 µm. Die Auflösung wurde sowohl für die Linsensysteme, als auch für OCT-Systeme, welche die Linsensysteme enthielten, bestimmt. Beide Messungen zeigten die Verbesserungen der optischen Qualität des Multi-Mikro-Linsen-Systems, was Anwendungen für zelluläre und subzelluläre Bildgebung der endoskopischen OCT in Aussicht stellt.

Diese Arbeit hat bewiesen, dass die Mikrolinse in endoskopische Dimensionen verkleinert werden kann. Eine einstellbare Linse mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Apertur von 1 mm wurde präsentiert und mit einem verkleinerten Mikrokippspiegel in eine endoskopische OCT Sonde integriert. Aufgrund des finalen Sondendurchmessers von weniger als 4 mm und der Tauglichkeit für eine faserbasierte optische Endoskopiesonde, kann die Sonde große Teile des Körperinneren erreichen.

Wie in der Wirklichkeit muss die Mikrolinse mit dem Mikrokippspiegel integrierbar sein. Die Integration beider mikrooptischer Systeme führt zu einer neuen Funktionalität: Einem dreidimensionalen Mikroscanner. Dieser Nutzen wurde durch Kombination der Mikrolinse mit einem Mikrokippspiegel gezeigt. Das neue System wurde in der OCT benutzt, um dreidimensionale Bilder mit hoher lateraler Auflösung zu erhalten. Das neu entwickelte System führt zur Herausbildung einer neuen Generation endoskopischer OCT Sonden mit einer Vielzahl an Funktionalitäten für fortschrittlichere endoskopische Bildgebung.


SWD-Schlagwörter: Mikrooptik , Medizintechnik , Mikrosystemtechnik
Freie Schlagwörter (deutsch): optische Kohärenztomografie , Biomedizinische Optik , Adaptive Optik
Freie Schlagwörter (englisch): endoscopic optical coherence tomography , endoscopic imaging , tunable micro-optics
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zappe, Hans (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.07.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 02.09.2010
Indexliste