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Title
Functional swept source optical coherence tomography / submitted by Cédric Blatter
AuthorBlatter, Cédric Steve
CensorLeitgeb, Rainer
Published2013
DescriptionVII, 94 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Med. Univ., Diss., 2013
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Fourier Domain OCT / Doppler OCT / Haut-Gefässbett-Untersuchung / erweiterter Fokusbereich durch einen Bessel-Strahl / Kontrastmittelfrei Mikro-Angiographie / in situ tiefenaufgelöste Gefäßbildgebung
Keywords (EN)Fourier Domain OCT / high-speed noninvasive in vivo imaging / in situ depth-resolved vascular imaging / Doppler OCT / Skin vascular beds assessment / Bessel beam extended focus / Label-free microangiography / Retina and choroid blood flow velocity
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-6781 Persistent Identifier (URN)
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Functional swept source optical coherence tomography [7.04 mb]
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Abstract (German)

Optische Kohärenztomographie (OCT) ist ein nichtinvasives bildgebendes Verfahren, das es erlaubt, Informationen über die Struktur einer Probe entlang der drei räumlichen Dimensionen mit einer Auflösung im Mikrometerbereich zu gewinnen. Ein neues Kapitel wurde mit der Entwicklung der funktionellen OCT eröffnet, die zusätzliche Informationen zur strukturellen Standardbildgebung liefert. Unter diesen Erweiterungen ist Doppler OCT (D-OCT). D-OCT wird oft mit der Messung der Blutgeschwindigkeit in Verbindung gebracht und seit Kurzem mit der Visualisierung des Gefäßnetzwerks. Blutfluss und -gefäße sind wichtige Marker für die Gesundheit des Gewebes. Ihre Messung liefert entscheidende Informationen für die Diagnostik, die Behandlungsplanung und deren Beobachtung. Als nicht-invasive Technologie erlaubt OCT häufigere Untersuchungen und weiter-gefasste Screenings und, als hochauflösendes Verfahren, gibt sie Einsicht in potentielle Veränderungen auf dem Kapillarlevel. Eine wichtige Herausforderung für in vivo Bildgebung ist die Bewegung des Patienten, die die Qualität der Aufnahmen verringert. Eine Lösung für dieses Problem ist die Bildgebung bei hohen Geschwindigkeiten. Kürzlich hat sich Swept-Source OCT (SSOCT) als effiziente Technologie erwiesen, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Diese These untersucht die Benutzung von SSOCT for die qualitative und quantitative Bildgebung des Gefäßnetzwerks. Sie wird präsentiert in der Form von fünf Publikationen in referierten Fachzeitschriften. Zuvor werden die Hauptkonzepte von FDOCT, D-OCT und SS Systemen vorgestellt. Die erste Publikation beschreibt ein SSOCT-System für die Bildgebung der Haut. In Standard OCT-Systemen geht eine Verbesserung der lateralen Auflösung mit einer Reduktion des Tiefenbereichs einher. Dies sollte vermieden werden, um verschiedene Gefäßbetten in der Tiefe aufzulösen. Die Benutzung eines Besselstrahls zur Beleuchtung der Probe erlaubt es, dieses Problem zu umgehen. Die Bildqualiät dieser Konfiguration wird mit der eines Standardsystems verglichen. Zudem werden weitere Vorteile der Besselbeleuchtung demonstriert, wie die Selbstregeneration des Strahls und Dunkelfeldbildgebung. Die zweite Publikation zeigt klinisch relevante Anwendungen in der Dermatologie auf. Das System und die Algorithmen werden auf gesunde und pathologische Haut angewendet. Wir demonstrieren an ausgewählten Beispielen, dass Krankheit, mitsamt weißem Hautkrebs, das Gefäßnetzwerk und seine Durchblutung beeinflusst. Es bestätigt die Wichtigkeit, zusätzlich zur Standardstruktur funktionelle Informationen bereitzustellen. Das dritte Paper wendet ähnliche Algorithmen auf die Bildgebung des Gefäßnetzwerks des hinteren Augenabschnitts an. Diese Arbeit demonstriert die Notwendigkeit von Geschwindigkeit in der in vivo Bildgebung und ebnet den Weg für zukünftige klinische Prozeduren.

Ultrahohe Geschwindigkeit erlaubt die Bildgebung über ein großes Bildfeld in wenigen Sekunden. Das vierte Paper wechselt das Thema zu quantitativer Blutflussmessung durch die Einführung eines Systems, das die stabile Messung der Blutflussgeschwindigkeit ermöglicht. Die Benutzung von zwei Strahlen, die den gleichen Ort entlang verschiedener Richtungen messen, liefert eine genaue Geschwindigkeitsmessung. Diese fixierte optische Beleuchtung wird jedoch instabil, wenn das Gefäß orthogonal zu der Bleuchtungsebene liegt, die von beiden Richtungen aufgespannt wird. Die Publikation schlägt die Benutzung eines Dove Prismas vor, um die Beleuchtungsebene zu rotieren und somit die Flexibilität dieser Konfiguration zu verbessern. Zum Schluss schlägt das letzte Paper eine Methode vor, um ein photoakustisches Signal optisch mit einem SSOCT System aufzulösen. Eine Kombination von Photoakustik mit OCT würde komplementäre spektroskopische oder metabolische Information über die Probe liefern und würde schlussendlich das Wissen über die Gesundheit des Gewebes verbessern.

Abstract (English)

Optical coherence tomography (OCT) is a non-invasive imaging modality capable of providing information about a sample structure along the three spatial dimensions with micrometer scale resolution. A new chapter opened with the development of functional OCT that provides additional information to the standard structural imaging. Among those extensions is Doppler OCT (D-OCT) that yields knowledge about the motion of the sample and/or its substructure. Its main application in biomedical imaging is the assessment of blood flow. D-OCT is therefore often associated with blood velocity measurement and recently with the visualization of the vascular network. Blood flow and vasculature are important markers of tissue health. Their assessment provides crucial information for diagnostics, treatment planning and monitoring. OCT is in a good position, as a non-invasive technique, to become an alternative to current fluorescence based techniques, allowing thereby also more frequent examination and broader screenings and, as a high resolution modality, to give insight into potential changes at the capillary level. An important challenge of in vivo imaging is patient motion that decreases the quality of acquisitions. One solution to that issue is high-speed imaging. Recently swept source OCT (SSOCT) revealed to be an efficient technology to achieve high-speed. This thesis investigates the use of swept sources for qualitative and quantitative vasculature imaging. It is presented via five journal papers that form its backbone. Prior to that, main concepts of FDOCT, D-OCT and SS systems are presented. The first paper reports a SSOCT system for skin imaging. In standard OCT systems, improving the lateral resolution comes at a cost of reduced depth of focus. This should be avoided in order to be able to assess different vascular beds in depth while keeping the speed advantage of FDOCT. Employing a Bessel beam for illumination of the sample allows circumventing this issue. The image quality of that configuration is compared to that of a standard system. Also, the further advantages of Bessel illumination, such as beam self-regeneration and dark-field imaging are demonstrated. The second paper demonstrates clinically relevant applications in dermatology. The system and the post-processing algorithms are applied to healthy and pathological skin, thereby exhibiting the potential of the system for clinical application. We demonstrate with selected examples that disease, including non-melanoma skin cancer, affects the vasculature network and its perfusion. It confirms the relevancy of providing additional functional information to the standard structure. The third paper applies similar post-processing to imaging of the posterior pole vasculature. This work demonstrates the need for speed in in vivo imaging and paves the way to future clinical procedures. Ultrahigh-speed allows imaging over a large field of view in a few seconds, hence, bypassing the need for volume stitching. Dedicated post-processing permits depth resolved visualization from large vessels to capillaries non-invasively. The fourth paper switches the topic to quantitative blood flow assessment by the introduction of a system allowing for stable blood flow velocity measurements. Employing two beams measuring the same location along different directions provides accurate velocity measurements. Still, this fixed optical illumination becomes unstable if the vessel is perpendicular to the illumination plane subtended by both directions. The publication suggests utilizing a Dove prism to rotate the illumination plane and thereby improving the flexibility of that configuration. Finally, the last paper proposes a method to optically resolve a photoacoustic signal with a SSOCT system. A combination of photoacoustics with OCT would provide complementary spectroscopic or metabolic information about the sample and would ultimately improve knowledge about tissue health.