Titelaufnahme

Titel
Digital adaptive optics for achieving space-invariant lateral resolution in optical coherence tomography / submitted by Abhishek Kumar
Verfasser / VerfasserinKumar, Abhishek
Begutachter / BegutachterinLeitgeb, Rainer
Erschienen2015
UmfangXV, 74 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Optische Kohärenztomographie / adaptive Optik / Mikroskopie
Schlagwörter (EN)Optical coherence tomography / adaptive optics / microscopy
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-1682 Persistent Identifier (URN)
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Digital adaptive optics for achieving space-invariant lateral resolution in optical coherence tomography [9.3 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Optische Kohärenztomographie (OCT) ist ein nichtinvasives bildgebendes Verfahren, welches auf optischer Interferometrie basiert und das Reflektivitätsprofil einer Probe mit hoher axialer Auflösung liefert. Die hohe axiale Auflösung ist auf die Nutzung einer breitbandigen Lichtquelle mit geringer zeitlicher Kohärenz zurückzuführen. Die laterale Auflösung hingegen ist bei OCT unabhängig von der spektralen Bandbreite der Lichtquelle. Sie hängt von der numerischen Apertur (NA) der fokussierenden oder abbildenden Optiken ab.

Die laterale Auflösung ist dabei beeinflusst von Defokussierung und anderen optischen Aberrationen höherer Ordnung, verursacht durch die Optiken oder der Probe selbst. Um neben dem hohen axialen Bereich auch eine hohe laterale Auflösung zu erzielen wurde Hardware basierte adaptive Optik (AO) erfolgreich mit OCT kombiniert. AO, welche üblicherweise einen Shack-Hartmann Wellenfrontsensor in Kombination mit einem verformbaren Spiegel zur Berichtigung der Wellenfront benutzt, kann optische Aberrationen kompensieren und erlaubt eine beugungslimitierte Auflösung in OCT. OCT, als ein interferometrisches, bildgebendes Verfahren, kann außerdem Zugang zu Phaseninformation liefern. Diese Phaseninformation kann mit Techniken der digitalen adaptiven Optik (DAO) genutzt werden um optische Aberrationen im Nachbearbeitungsschritt zu korrigieren und eine beugungslimitierte, räumlich invariante laterale Auflösung im gesamten Bildvolumen zu erreichen. Dadurch kann auf Hardware basierte AO verzichtet werden und können in Folge dessen die Systemkomplexität und Kosten reduziert werden. In der ersten Veröffentlichung dieser Doktorarbeit wird eine neuartige DAO Methode basierend auf einer sub-Apertur Korrelation präsentiert. Der Vorteil dieser Methode ist ihr Verzicht auf Iterativität und dass sie kein a priori Wissen jeglicher Systemparameter wie Wellenlänge, Brennweite, NA oder Detektorpixelgröße erfordert. In den Experimenten wurde ein FF SS OCT System benutzt, wobei ein Auflösungstestbild in Kombination mit einem deformieren Plastikplättchen, das zufällige optisch Aberrationen einführt, herangezogen wurde. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass sub-Apertur basierte DAO die Strukturen des Auflösungstesttargets nahezu beugungsbegrenzt wiederherstellen kann. Die Methode wurde außerdem benutzt um die Ausweitung der Schärfentiefe (DOF) in einer biologischen Probe zu zeigen. In der zweiten Veröffentlichung dieser Arbeit wird die sub-Apertur basierte DAO Methode zur Fokuskorrektur mit einer auf inversen Streuung (IS) basierten Bildrekonstruktion und einer einfachen digitalen Phasenkonjugationsmethode, basierend auf einem Vorwärtsmodel (FM), verglichen. Es wird durch experimentelle Ergebnisse gezeigt, dass die FM basierte Fokuskorrektur in Bezug auf die Rechengeschwindigkeit am schnellsten ist. Bezüglich einer DOF Ausweitung erzielt sie dasselbe Ergebnis wie IS und DAO, solange die Probe mit homogenen Brechungsindex und einer geringen NA von 0.1 abgebildet wird. Allerdings zeigt sich bei einer Probe mit nicht-homogenen Brechungsindex, dass DAO das beste Ergebnis bezüglich einer DOF Ausweitung erzielt. Im dritten und letzten Paper dieser Arbeit wird eine region-of-interest basierte DAO Methode präsentiert, die anisotropische Aberrationen quer über den sichtbaren Bildbereich korrigiert. Das Prinzip wird an einem Eisen(III) Oxid Nanopartikel Phantom gezeigt, welches mit einem faserbasierten, punktscannenden Spektralbereich OCT Aufbau mit einer NA von 0.6 und einem limitierten DOF von 7m abgebildet wird. Es wird eine sub-Mikrometer laterale Auflösung über einen Tiefenbereich von 218m erreicht, wodurch eine ungefähr 30-fache DOF Ausweitung erzielt werden kann. Die Umsetzung dieser Methode wird außerdem in Mausfettgewebe ex vivo gezeigt. Die wesentlichen Limitationen der sub-Apertur basierten DOA und deren Aussichten für die Zukunft von OCT werden ebenfalls in diesem Paper diskutiert.

Zusammenfassung (Englisch)

Optical coherence tomography (OCT) is a non-invasive optical interferometric imaging technique that provides reflectivity profiles of the sample structures with high axial resolution. The high axial resolution is due to the use of low coherence (broad-band) light source.

However, the lateral resolution in OCT depends on the numerical aperture (NA) of the focusing/imaging optics and it is affected by defocus and other higher order optical aberrations induced by the imperfect optics, or by the sample itself.Hardware based adaptive optics (AO) has been successfully combined with OCT to achieve high lateral resolution in combination with high axial resolution provided by OCT. AO, which conventionally uses Shack-Hartmann wavefront sensor (SH WFS) and deformable mirror for wavefront sensing and correction respectively, can compensate for optical aberration and can enable diffraction-limited resolution in OCT. Visualization of cone photoreceptors in 3-D has been successfully demonstrated using AO-OCT. However, OCT being an interferometric imaging technique can provide access to phase information.This phase information can be exploited by digital adaptive optics (DAO) techniques to correct optical aberration in the post-processing step to obtain diffraction-limited space invariant lateral resolution throughout the image volume. Thus, the need for hardware based AO can be eliminated, which in turn can reduce the system complexity and economical cost. In the first paper of this thesis, a novel DAO method based on sub-aperture correlation is presented which is the digital equivalent of SH WFS. The advantage of this method is that it is non-iterative in nature and it does not require a priori knowledge of any system parameters such wavelength, focal length, NA or detector pixel size. For experimental proof, a FF SS OCT system was used and the sample consisted of resolution test target and a plastic plate that introduced random optical aberration. Experimental results show that sub-aperture based DAO can recover near diffraction-limited images. The method was also used to show depth of focus (DOF) extension in a biological (grape) sample. Limitations of the sub-aperture based DAO method are also discussed in detail in this paper. In the second paper of the thesis, sub-aperture based DAO method for defocus correction is compared with the inverse scattering (IS) based image reconstruction, similar to interferometric synthetic aperture microscopy (ISAM), and a simple digital phase conjugation method based on a forward model (FM).

It is demonstrated through experimental results that FM based defocus correction is the fastest in terms of computational speed and have the same performance in terms of DOF extension as IS or DAO when the sample with uniform refractive index in depth is imaged at NA of 0.1. However, it is shown that in the case of samples with non-uniform refractive index, DAO performs the best in terms of DOF extension. In the third and the final paper of the thesis, a region of interest (ROI) based DAO is presented that corrects anisotropic aberration across the lateral field of view (FOV). The proof of principle is shown using an iron (III) oxide nano-particle phantom sample imaged with a fiber-based point scanning spectral domain (SD) OCT setup at a high NA of 0.6 and a limited DOF of 7 . Sub-micron lateral resolution is obtained over a depth range of 218 , thus achieving DOF improvement by 30x .The implementation of this method is also demonstrated in ex vivo mouse adipose tissue. The major limitations associated with sub-aperture based DAO and its future prospects in OCT are also discussed.