Untersuchung von Lasersystemen für die 3D-Endomikroskopie unter Nutzung von kohärenten Faserbündeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454289351

Die multimodale 3D Bildgebung mit submillimeterdünnen und flexiblen Endoskopen ermöglicht wichtige Fortschritte in der biomedizinischen Forschung und klinischen Praxis. Verfügbare Faserbündelendoskope basieren auf der Auswertung der Lichtintensität und nutzen distale Abbildungsoptiken. Dadurch sind sie limitiert in ihrem minimalen Invasivität, auf eine 2D Bildgebung und beim Ort-Bandbreitenprodukt. Im Rahmen der ersten Förderperiode wurde eine neuartige minimalinvasive 3D-Endoskopietechnik grundlegend untersucht, welche zusätzlich die Lichtphase auswertet und auf distale Abbildungsoptiken verzichtet. Dazu wurde eine Technik zur Eigenkalibriertechnik validiert, welche es erlaubt die optische Übertragungsfunkton (OTF) kohärenter Faserbündel ohne distalen Zugang holografisch zu messen. Mittels programmierbarer Optiken konnte dann die OTF korrigiert werden. Es wurde gezeigt, dass das Verfahren eine unverpixelte Bildgebung mit einem um eine Größenordnung höheres Ort-Bandbreitenprodukt ermöglicht sowie eine 3D Bildgebung mit distalen Durchmessern < 500 µm ermöglicht. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass für Fasern mit vorteilhaften Übertragungseigenschaften eine Korrektur der Übertragungsfunktion auch mit statischen Phasenobjekten realisiert werden kann, wodurch sich potentiell robuste und einfach nutzbare faseroptische Bildgebungssysteme realisieren lassen. Allerdings ist die Technik derzeit noch limitiert durch die geringe spektrale Breite der Phasenkorrektur sowie durch Beugungseffekte wegen des hohen Kern-zu-Kern Abstands der Faserbündel und der geringen Photoneneffizienz der Faserbündel. Ziel der beantragten zweiten Förderperiode ist deshalb zu untersuchen, wie CFB mit verbesserten Übertragungseigenschaften für eine hochaufgelöste Endomikroskopie vor allem breitbandiger Strahlung wie Autofluoreszenz genutzt werden können. Hierfür soll die Photoneneffizienz von Faserbündeln durch die thermische Expansion der Faserkerne erhöht werden, um das Signal-zu-Rausch Verhältnis zu steigern. Durch das Verjüngen des distalen Faserendes auf 200 µm sollen die Fasern sowohl weniger invasiv als auch Verluste durch optische Beugung reduziert werden. Numerisch und experimentell sollen optimierte Mikrostrukturen untersucht werden, welche laserbasiert auf der Faserfacette gefertigt werden können, um so die numerische Apertur der Faserkerne und die spektrale Breite der Phasenkorrektur zu erhöhen. Im Ergebnis entsteht eine völlig neuartige optische Komponente für die hochaufgelöste Endomikroskopie welche für die konfokale Autofluoreszenzbildgebung mit einer Ortsauflösung besser 1 µm validiert werden soll. Für die Biomedizin ist ein Paradigmenwechsel in der minimalinvasiven, hochauflösenden 3D-Bildgebung vielversprechend.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen