Thermal light tear film imaging with Spectral Domain Optical Coherence Tomography (SD-OCT)

Abstract

Determining the morphology and thickness of the tear film of the eye with medical imaging is an important step to improve the diagnosis of dry eye syndrome. Therefore methods have to be developed to enable non-invasive and eye-safe monitoring of this thin layer, measuring only some microns, on the cornea. As a promising approach optical coherence tomography (OCT) has been recently proposed. This light-based, contact-less and label-free technique enables an axial resolution within few microns within an imaging depth range of some millimeters. This combination is optimally suited to image the tear film and the cornea simultaneously. In this work a low cost line field spectral domain OCT system was designed and constructed which enables the acquisition of a full cross sectional image in one single camera shot without the need to scan laterally. This was realized in a free space setup using a Ti-Sa-Laser with a very high bandwidth up to 300 nm. The chosen components, the adjustment of the setup as well as the data processing are discussed. The measured axial resolution of 3.7 +/- 1.0 µm is in good accordance with the theoretical value of 2.4 µm. Furthermore the lateral resolution along the line could be estimated to be well below 20 µm. The maximum obtainable sensitivity was approximately 73 dB, mainly limited by high back reflections from planar surfaces of the lenses and optical components in general. Finally, the proper function of the system was demonstrated by successfully resolving the structure of tear film phantoms with thicknesses between 3.26 - 4.81 µm.

Die Bildgebung sowie die Dickenbestimmung des Tränenfilms des Auges ist eine wichtige Größe zur besseren Diagnose von trockenen Augen. Da dieser Film jedoch nur wenige Mikrometer dick ist, müssen zunächst Methoden entwickelt werden, die hochauflösend und nichtinvasiv zugleich sind. Die rasante Entwicklung der optischen Kohärenztomographie (OCT) innerhalb der letzten Jahre macht dieses Verfahren zu einem vielversprechenden Kandidaten für diese Problemstellung. OCT ist ein optisches, kontaktfreies und vor allem farbstofffreies Bildgebungsverfahren, welches eine axiale Auflösung weniger Mikrometer über einen Messbereich von bis zu einigen Millimetern erreicht. Es ist damit ein optimales Werkzeug um den Tränenfilm und die Cornea gleichzeitig bildgeben zu können. In der vorliegenden Arbeit wurde ein preiswertes line field Spektrometer basierendes OCT System entworfen und aufgebaut, welches die Aufnahme eines gesamten Schnittbildes mit einer einzigen Kameraaufnahme ohne laterales Scannen ermöglicht. Dies wurde in einem Freifeld-Aufbau auf dem optischen Tisch realisiert, wobei als Lichtquelle ein Ti-Sa-Laser mit einer Bandbreite von bis zu 300 nm eingesetzt wurde. Die eingesetzten Komponenten, die Justierung des Systems sowie die nachträgliche Datenprozessierung zur Berechnung des Schnittbildes werden diskutiert. Die gemessene axiale Auflösung lag bei 3.7 +/- 1.0 µm und ist in gutem Einklang mit dem theoretisch erwarteten Wert von 2.4 µm. Die laterale Auflösung entlang der Linie konnte auf unter 20 µm abgeschätzt werden. Die maximale Empfindlichkeit betrug 73 dB, was vorwiegend auf die starken Rückreflektionen der optischen Komponenten, insbesondere der planen Oberflächen der Linsen, zurückzuführen war. Zu guter Letzt wurde die Leistungsfähigkeit des Systems demonstriert, indem Tränenfilmphantome mit einer Dicke von 3.26 - 4.81 µm erfolgreich gemessen werden konnten.