Titelaufnahme

Titel
Phase sensitive multichannel OCT / submitted by Wolfgang Trasischker
VerfasserTrasischker, Wolfgang
Begutachter / BegutachterinHitzenberger, Christoph
Erschienen2015
UmfangX, 101 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2015
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Phasensensitiv, Optische Kohaerenztomographie, Doppler, Polarisationssensitiv, Ophthalmologie
Schlagwörter (EN)phase sensitive, optical coherence tomography, Doppler, Polarizationsensitive, Ophthalmology
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-4512 Persistent Identifier (URN)
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Phase sensitive multichannel OCT [12.41 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Das Ziel dieser Dissertation war es, Methoden fuer die phasensensitive Optische Kohaerenztomographie (OCT) mit mehreren Kanaelen für Licht im Bereich von 840 nm und 1040 nm zu entwickeln.

Konventionelle OCT gewinnt strukturelle Information durch die Beleuchtung der Probe mit einem Lichtstrahl, der von einem Laser mit bestimmten Kohaerenzeigenschaften erzeugt wird. Dabei wird das rueckgestreute Licht parallel zum einfallenden Strahl aufgenommen und ausgewertet. Kombiniert man diese Methode mit einem Rasterscan, können 2D und 3D Strukturen abgebildet werden. Die dabei erzielte Aufl􏰅oesung liegt im Mikrometerbereich. Oft entsteht der Bedarf an zusaetzlichem Kontrast. Dieser kann unter anderen dadurch erzeugt werden, dass die Phase des Interferenzsignals analysiert wird. Weiters kann die Probe mit mehreren Strahlen beleuchtet werden oder das Signal mit mehreren Kanaelen aufgenommen werden. Phasensensitive OCT liefert zusaetzlichen Kontrast und Information, waehrend Multi-Channel OCT hoehere Aufnahmegeschwindigkeiten, groessere Scan-Felder sowie variantenreichere differentielle Messmethoden ermöglicht.

Unter den differentiellen, phasensensitiven Messmethoden sind vor allem Doppler OCT (D-OCT) und polarisationsensitives OCT (PS-OCT) vielversprechende Weiterentwicklungen der konventionellen OCT. Waehrend die erstgenannte die Bewegung der rueckstreuenden Partikel analysiert, misst die zweitgenannte Aenderungen des Polarisationszustands, die von der Probe bewirkt werden. Beide Methoden erzeugen zusaetzlichen Bildkontrast und Information. Durch die Kombination einer kurzen Aufnahmezeit und der Nichtinvasivitaet von OCT sind beide Methoden sehr gut für in vivo Messungen am menschlichen Auge geeignet.

Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei phasensensitive OCT Systeme mit mehreren Kanaelen vorgestellt. Zuerst wird ein D-OCT System mit drei Messstrahlen, die von unterschiedlichen Richtungen aber simultan die Probe beleuchten, beschrieben. Bei einer zentralen Wellenlänge von 840 nm werden drei separate Laserquellen verwendet. Dadurch kann Cross-Talk zwischen den Kanaelen vermieden werden und der volle Tiefenbereich für jeden Kanal erzielt werden. Essentiell bei dieser Idee ist, dass durch die drei unterschiedlichen Messrichtungen der absolute Geschwindigkeitsvektor der, sich bewegenden, Streuzentren bestimmt werden kann. Eine genaue Kenntnis der dreidimensionalen Orientierung des Geschwindigkeitsvektors aus strukturellen OCT-Daten ist dadurch nicht notwendig. Das entwickelte System wird in vitro an zwei Testproben und in vivo an Bifurkationen retinaler Blutgefaesse demonstriert.

Als zweites wird ein PS-OCT System vorgestellt, das mit Single Mode (SM) Fasern designt werden konnte. Die laengere Wellenlaenge von 1040 nm ermoeglicht eine erhoehte Eindringtiefe in biologisches Gewebe.

SM-Fasern machen es notwendig, Bauteile zu verwenden, die eine Kontrolle des Polarisationszustandes des Lichtes ermoeglichen. Diese an mehreren Stellen eingebauten Bauteile erlauben es, die Probe mit zirkulaer polarisiertem Licht zu beleuchten. Weiters wird durch diese Bauteile erreicht, dass der Polarisationszustand im gesamten System kontrolliert werden kann. Fuer die Bildgebung ist von Bedeutung, dass durch die SM-Fasern Artefakte und Sekundaerbilder, die auf Polarisationseff􏰃ekte zurueckzufuehren sind, reduziert werden. Somit entsteht eine Alternative zu anderen komplexeren und teureren SM-Faser basierenden Methoden, wie zum Beispiel Multiplexing und sequentieller Beleuchtung, oder Varianten die auf polarisationserhaltenden Fasern beruhen. Die Positionierung und Einstellung der Bauteile zur Kontrolle des Polarisationszustandes wird erklaert und anhand von Kalibrationsmessungen bestaetigt. Die in vivo Anwendbarkeit wird durch Messungen an der Retina gesunder menschlicher Probanden demonstriert.

Diese Dissertation ist um zwei, in peer-reviewed Journalen erschienenen, Publikationen aufgebaut. Weiters werden in den ersten Kapiteln die zugrundeliegenden Prinzipien erklaert.

Zusammenfassung (Englisch)

The main aim of this thesis was to develop and improve phase sensitive, multichannel methods for optical coherence tomography (OCT) using light in the 840 nm and 1040 nm regime.

Conventional OCT provides purely structural information by illuminating the sample by one beam and recording the backscattered signal with one detection channel. Combination of this approach with a raster scan enables the acquisition of 2D and 3D structural information with a resolution in the micrometer regime. However, sometimes additional image contrast or information is desired. Amongst other approaches, this can be provided by a phase sensitive analysis of the interference pattern.

Combining phase sensitivity with the illumination of the sample by more than one beam and/or by recording the data using more than one data acquisition channel allows for even more enhanced imaging. While phase sensitive OCT gives access to additional contrast and information, multichannel OCT can provide higher imaging speed, scan 􏰄eld size and 􏰅exible di􏰃erential measurements.

Amongst the di􏰃erential, phase sensitive approaches, Doppler OCT (D- OCT) and polarization sensitive OCT (PS-OCT) are two of the most promising OCT modalities. While the former targets information on the movement of backscattering particles, the latter measures alterations of the polarization state of the light induced by the sample. Both techniques provide additional image contrast and are, due to the non-invasive and fast character of OCT, well suited for in vivo imaging of the human eye.

In the course of this thesis, two di􏰃erent multichannel, phase sensitive OCT systems will be presented. First, a D-OCT system with three di􏰃erent sampling beams is described. With a central wavelength of 840 nm these three beams are emitted by three individual laser sources. This e􏰃ectively eliminates any cross talk and provides the full depth range for each channel. Furthermore, by illuminating the sample from three di􏰃erent directions, the absolute velocity vector can be reconstructed without the need for additional information on its orientation from structural data. The developed system is demonstrated for in vitro and in vivo imaging. For the latter, the retinal blood 􏰅ow in a venous bifurcation of a healthy human volunteer was analyzed.

Second, a single mode (SM) 􏰄ber based PS-OCT system operating with light centered around 1040 nm is presented. The longer wavelength provides a deeper penetration into biological samples. The SM 􏰄ber design requires the use of polarization control units at various positions along the 􏰄ber based system. These provide a circular polarization state at the sample but also control the polarization state throughout the system. Using SM 􏰄bers in combination with a prede􏰄ned polarization state at the sample reduces polarization dependent artifacts and forms a less complex alternative to SM approaches using multiplexing, sequential illumination or polarization maintaining 􏰄bers. The arrangement and alignment of the polarization control units is explained and validated by calibration measurements. Furthermore, imaging results obtained from healthy human volunteers are presented.

This thesis is composed around two articles published in peer reviewed journals. Furthermore, the underlying basic principles are explained.