Nov. 2020 – Jan. 2022

Projektarbeit

Calvin Kreft & Konstantin Gramatte

Ohne Licht wäre das Sehen, wie wir es kennen nicht erdenklich. Doch welche weiteren Anwendungen sind möglich, die sich für uns nicht auf den ersten Blick erschließen? Die optische Kohärenztomografie (OCT) ist eine hochauflösende Methode zur mehrdimensionalen Visualisierung von Strukturen unterhalb des für uns Sichtbaren.

Die studentische Projektarbeit umfasste die Entwicklung eines solchen OCT-Aufbaus, der die komplexe Umsetzung des bildgebenden Verfahrens den Studenten anschaulich und praktisch erläutern und eine (spielerische) „Hand-on Experience“ mit diesem System ermöglichen sollte. Als Orientierung diente hierbei das Baukastensystem für optische Systeme vom Open-Source-Projekt „Bionanoimaging openUC2“ auf GitHub. Die modulare Simplifizierung des Aufbaus birgt hierbei einen großen Vorteil: Es führt zur Vermeidung von (Bedien-)Fehlern und somit zur Reduktion der Instandhaltungskosten, da bei Ausfällen in kürzester Zeit Ersatz bereitgestellt werden könnte.

Die Grundidee ist simpel; auf einer Basisplatte mit versenkten Magnetkugeln sollten unterschiedliche Komponenten des optischen Systems innerhalb modularer Würfel unkompliziert aufgesteckt werden. Herzstück des Aufbaus war das Michelson-Interferometer, mit dem Interferenzerscheinungen, sprich die Wechselwirkung des Lichts mit sich selbst, hervorgerufen werden (siehe Foto). Diverse optische Elemente, wie bspw. ein Strahlenteiler oder Linsen aus Acrylglas, eine breitbandige Lichtquelle sowie ein Spektrometer bildeten dann das vollständige OCT-System. Spektrometer sind opto-mechanische Komponenten zur Aufspaltung des Lichts und Darstellung eines Spektrums. Der Detektor, ein Raspberry Pi, erfasste jenes spektral zerlegte Licht einer Smartphone-LED und wandelte die Informationen anschließend in Intensitätsprofile (A-Scan) der gemessenen Tiefenbeschaffenheit um.

Das Projekt wurde folgend im Rahmen eines studentischen Forschungsprojekts fortgeführt.

Jun. 2021 – Dez. 2021

Studentisches Forschungsprojekt

Calvin Kreft & Konstantin Gramatte

Die Optische Kohärenztomografie (engl.: optical coherence tomography (OCT)) ist ein bildgebendes Verfahren für die Erzeugung von zwei- und dreidimensionalen Aufnahmen von Tiefenprofilen in organischen und nicht-organischen Medien, ähnlich der Ultraschallbildgebung. Aufgrund der hohen axialen Auflösung von etwa 0,5 μm bis 15 μm und einer gleichzeitig relativ hohen Eindringtiefe von 1–3 mm, in Abhängigkeit der verwendeten Wellenlänge, bietet diese Methode vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, unteranderem in der Medizin und der Werkstoffanalyse. Besonders die Augenheilkunde profitiert durch die hochaufgelöste Bildgebung, beispielsweise bei der Untersuchung des vorderen und hinteren Augenabschnitts, von den technologischen Fortschritten der OCT.

Das Projekt umfasste aufbauend auf der vorangegangenen Master-Projektarbeit die Entwicklung und den Aufbau eines OCT-Systems, welches die Umsetzung des bildgebenden Verfahrens den Studenten anschaulich und praktisch erläutern und eine „Hand-on Experience“ mit diesem Verfahren ermöglichen sollte. Ausgehend vom open-source bionanoimaging openUC2-Projekt und den bisherigen Fortschritten, stand bereits ein Grundaufbau zur Verfügung. Um die Signalqualität zu verbessern, folgte die Erweiterung des optischen Aufbaus und die Optimierung zahlreicher Elemente. Des Weiteren entwickelten die Studenten einen angepassten Algorithmus zur Umwandlung der spektralen Informationen in zweidimensionale Grauwertbilder (B-Scan).
Im Forschungsverlauf machten sich jedoch zahlreiche unumgängliche Komplikationen im kostengünstigen optischen Aufbau bemerkbar, deren zum Teil kostenintensive und komplexe Lösung den zeitlichen Rahmen überschritten. Hierzu zählten unter anderem der notwendige Einsatz eines Breitbandlasers, hochpräziser Translationsachsen sowie ein Detektor mit weitaus höherem Signal-zu-Rausch-Verhältnis.