Titelaufnahme

Titel
Optical Coherence Tomography of Tissue Physiology / submitted by Tilman Schmoll
Verfasser / VerfasserinSchmoll, Tilman
Begutachter / BegutachterinLeitgeb, Rainer
Erschienen2010
Umfang126 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2010
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Optische Kohärenztomographie / funktionelle Bildgebung / Augenheilkunde / funktionelle optische Kohärenztomographie / Doppler optische Kohärenztomographie / OCT / PSOCT / DOCT / fOCT
Schlagwörter (EN)Optical Coherence Tomography / functional imaging / ophthalmology / functional optical coherence tomography / Doppler optical coherence tomography / OCT / PSOCT / DOCT / fOCT
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-6971 Persistent Identifier (URN)
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Optical Coherence Tomography of Tissue Physiology [2.14 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Optische Kohärenz Tomographie (OCT) ist ein nicht invasives interferometrisches bildgebendes Verfahren, das es ermöglicht 2D Schnittbilder, sowie 3D Volumen von transparenten Proben in Echtzeit mit Mikrometerauflösung zu erzeugen. Bisher ist das verbreiteste Anwendungsgebiet, die Untersuchung von biomedizinischen Proben, insbesondere im Auge. Hier profitiert OCT von dem transparenten Gewebe, das es erlaubt sehr schnell hochaufgelöste 3D Volumen der Hornhaut oder Netzhaut aufzunehmen. OCT ist jedoch nicht nur auf die strukturelle Bildgebung begrenzt, sondern ermöglicht es gleichzeitig auch funktionelle Informationen zu sammeln. Thema dieser Doktorarbeit war es solche funktionellen Erweiterungen zu erforschen und zu verbessern.

Insbesondere wurde Doppler OCT (DOCT), das es ermöglicht den Blutfluss zu kontrastieren und zu quantifizieren, sowie polarisationssensitives OCT, das es erlaubt bestimmte Gewebe auf Grund ihrer Polarisationseigenschaften zu kontrastieren, untersucht. Diese Arbeit kann in 4 Themenbereiche aufgeteilt werden:

1: Doppler OCT: Es wurde ein Spektrometer, mit einer CMOS Zeilenkamera gebaut. Mit diesem Specktrometer, erreichten wir Scanraten von bis zu 200.000 A-scans/s. Wir zeigen den Einfluss von solchen Messgeschwindigkeiten auf DOCT Messungen und diskutieren die Vor- und Nachteile von Hochgeschwindigkeits - 3D DOCT Aufnahmen in der menschlichen Netzhaut. Des weiteren nutzen wir die hohe Messgeschwindigkeit um 4D Videos (3D Volumen in der Zeit) mit einer Volumenrate von 13 Volumen/s, aufzunehmen. Diese Videos zeigen den Blutfluss in Kapillaren der Netzhaut auf Grund von Intensitätsänderungen. Wir zeigen auch Ergebnisse eines Segmentierungsalgorithmus, welcher die quantitative DOCT Information nutzt.

2. Hochgeschwindigkeits- und hochauflösende OCT: Wir kombinerten unser Hochgeschwindigkeits OCT System mit einer breitbandigen Lichtquelle, die eine axiale Auflösung von 1.3 mym ermöglicht. Mit einem kleinen Fokusdurchmesser des Messstrahls erreichten wir eine laterale Auflösung von 5 mym. Wir zeigen in-vivo Messungen des Kapillarnetzwerkes von gesunden und erkrankten menschlichen Augen. Ausserdem präsentieren wir Aufnahmen, bei denen das Mosaik der Zapfen-Fotorezeptoren, sowie einzelne Nervenfaserbündel aufgelöst werden konnten. Ein etwas modifiziertes System wurde benutzt um sehr schnelle, hochaufgelöste Aufnahmen der Hornaut zu machen. Mit Hilfe dieser Messungen wurden die Schichtdicken des Epithels und des Bowman's Layer bestimmt.

3. Polarisationssensitives OCT: Es wurde ein polarisationssensitives OCT System gebaut, das es ermöglichte mit einer einzigen Kamera, die Phasenverzögerung, sowie die Orientierung der optischen Achse tiefenaufgelöst zu bestimmen. Diese Methode basiert auf der Trennung der orthogonalen Polarisationszustände mit Hilfe einer, durch einen elektro-optischen Modulator aufgeprägten, Modulation der räumlichen Frequenzen. Das selbe Verfahren wurde auch in unser Ophthalmologie OCT System implementiert. Wir zeigen erste Ergebnisse mit diesem System, die mit einer Scanrate von 160.000 A-scans/s aufgenommen wurden.

4. In-vivo funktionelle OCT: Ein Versuch, um die Funktion der Netzhaut nicht invasiv mit hoher Empfindlichkeit zu überprüfen wurde konstruiert.

Die bestmöglichen Messparameter werden diskutiert und die Reaktion auf einzelne Lichtreize wird untersucht. Erste Ergebnisse zeigen die realisierbarkeit dieses Versuches, sehr kleine Änderungen der Reflektivität zu messen. Ein funktionelles Tomogram, welches es ermöglicht die Reaktion in den einzelnen Schichten der Netzhaut zu lokalisieren wird vorgestellt.

Die Eckpfeiler dieser Doktorarbeit bilden vier Artikel, die in Peer-Reviewed Journals publizert wurden. Diese werden in chronologischer Reihenfolge vorgestellt.. Neueste Ergebnisse werden in zusätzlichen Kapiteln gezeigt. Theorie und Grundlagen der OCT werden, soweit für das Verständnis der Arbeit notwendig, erklärt.

Zusammenfassung (Englisch)

Optical coherence tomography (OCT) is a non-invasive interferometric imaging technique that allows capturing cross-sectional images and 3D volumes of weakly backscattering samples with micrometer resolution in real time. Its main field of application is so far imaging of biomedical samples, especially in the eye, where it profits from the transparent tissue and OCT's unique possibility of acquiring 3D volumes of the cornea and retina, with high resolution and speed. Moreover, OCT not only allows structural imaging, but also gaining functional information of tissue physiology during the same acquisition. This PhD thesis is dedicated to study and improve extensions of OCT, such as Doppler OCT (DOCT), which allows contrasting and measuring the blood flow non-invasively, or polarization sensitive OCT (PSOCT), which enhanm ces the contrast, of certain tissues, by calculating their polarization characteristics. This work can be divided into 4 parts:

1. Doppler OCT: A spectrometer was built, including a CMOS line scan camera. With this spectrometer, we achieved line rates of up to 200.000 scans/s. We demonstrate the impact of this achievable speed to DOCT and discuss advantages as well as short-comings of high speed 3D Doppler imaging of the human retina. Furthermore, we used this speed to record 4D videos (3D volumes in time) with a volume rate of 13 volumes/s, showing the blood flow within retinal capillaries through motion contrast. We also present results of a segmentation algorithm, which uses the DOCT information of flowing particles.

2. Ultra-high speed and ultra-high resolution OCT: We combined our ultra-high speed system, with a broadband light source, permitting axial resolution of 1.3 mym in tissue. Using a small probing beam spot size, we achieved a transverse resolution on the retina of theoretically 5 mym. We show results of in-vivo measurements of the capillary network for human healthy and diseased retina, as well as results showing the cone photoreceptor mosaic and individual nerve fiber bundles. A slightly modified system was used to image the cornea with ultra-high axial resolution and ultra-high acquisition speed. These measurements were used to extract the thickness of the epithelium and the Bowman's layer.

3. Polarization sensitive OCT: A polarization sensitive OCT system was build, which is capable of retrieving, with a single camera, both retardation and optical axis orientation. The method is based on a differentiation between orthogonal polarization channels through spatial modulation introduced by an electro-optical modulator.

Proof-of-principle measurements are demonstrated. The same approach was also implemented into our ophthalmology OCT system. First results obtained with this setup at acquisition rates of up to 160.000 scans/s are presented.

4. In-vivo functional retinal OCT: An experiment design for non-invasive assessment of neural retinal tissue function with enhanced sensitivity is presented. Optimal measurement parameters are discussed such as the function and the timing of the response function to a single flash stimulus is investigated. Preliminary results indicate the feasibility of our measurement concept to assess small changes in reflectivity with enhanced sensitivity. A functional tomogram for response localization and quantification is introduced.

Four articles published in peer-reviewed journals build the basis of this PhD thesis and are presented in chronological order. Recent results, presented in additional chapters supplement the thesis. Basics and principles of OCT as far as needed for the proper understanding of the original papers are explained.