Titelaufnahme

Titel
Multibeam Doppler optical coherence tomography / submitted by Richard Haindl, BSc MSc
Verfasser / VerfasserinHaindl, Richard
Betreuer / BetreuerinHitzenberger, Christoph
ErschienenWien, January 16, 2017
Umfangxviii, 94 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftMedizinische Universität, Dissertation, 2017
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Datum der AbgabeJanuar 2017
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Medizinische Optik und Biotechnologie / optische Kohärenztomografie / Laser Doppler Velozimetrie / Doppler / Funktionelle Beobachtung und Bildgebung / Gefäß / Bildgebende Systeme / Blutfluss / Absolute Geschwindigkeit / Mehrstrahl / Retina
Schlagwörter (EN)Medical optics and biotechnology / Optical coherence tomography / Laser Doppler velocimetry / Doppler / Functional monitoring and imaging / Vessel / Imaging systems / Blood flow / Absolute velocity / Multibeam / Retina
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-9148 Persistent Identifier (URN)
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die optische Kohärenztomografie (OCT) ermöglicht die Darstellung von zwei- und dreidimensionalen Bildern mit einer Auflösung von wenigen Mikrometern. Das Verfahren basiert auf der interferometrischen Detektion von rückgestreutem und reflektiertem Licht an transparenten oder lichtdurchlässigen Objekten. Die Doppler optische Kohärenztomographie (D-OCT), eine Erweiterung der konventionellen OCT, ermöglicht es Informationen über bewegte Partikel, z.B. Erythrozyten in Blutgefäßen, zusätzlich zu der konventionellen morphologischen Darstellung zu erhalten. Die D-OCT ermöglicht unter anderem die Kontrastierung der Gefäßstrukturen und die Darstellung der Mikrozirkulation im Gewebe. Zusätzlich zur Kontrastierung kann die Geschwindigkeit der bewegten Partikel quantitativ bestimmt werden.

Im Rahmen dieser Dissertation wird ein neuartiges phasensensitives spektrales D-OCT System vorgestellt. Das System erlaubt es, anders als klassische D-OCT Systeme, den dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektor von bewegten Partikeln direkt und ohne zusätzlichem Wissen über die Orientierung der Gefäße im Gewebe zu messen. Das System beleuchtet dabei die Probe mit drei unabhängigen Mess-strahlen aus verschiedenen Richtungen.

Zuerst wurden Verbesserungen an einem vorhandenen dreistrahlen D-OCT System entwickelt. Das System wies erhebliche Schwächen auf, welche die Anwendung in einer klinischen Umgebung verhinderten. Diese Schwächen konnten durch die Entwicklung einer speziellen Optik, dem Fassettenprismenteleskop, der Neuplanung des Messarms und der Verwendung eines 2-D mikro-elektro-mechanischen (MEMS) Abtastspiegels weitgehend beseitigt werden. Die Möglichkeiten des Systems werden in vitro und in vivo demonstriert. Dafür werden unter anderem retinale Blutflussmessungen in Arterien und Venen gesunder menschlicher Probanden vorgestellt.

Um die Messung des retinalen Gesamtblutflusses zu ermöglichen, wurden schnellere Zeilenkameras in das System eingebaut, um die Abnahme des detektierten Signals (interference fringe washout) durch die hohe Geschwindigkeit der Erythrozyten in größeren Arterien nahe des Sehnervkopfes zu verhindern. Des Weiteren wurde es notwendig eine mathematische Beschreibung der dreistrahlen Geometrie während des Scanvorgangs auszuarbeiten, da die Annahme einer statischen Geometrie zur Rekonstruktion des Geschwindigkeitsvektors bei größeren Abtastwinkeln zu ungenau ist. Zwanzig gesunde menschliche Augen wurden hinsichtlich des retinalen Gesamtblutflusses und der absoluten Geschwindigkeit der Erythrozyten in aus dem Sehnervkopf austretenden Blutgefäßen untersucht. Des Weiteren wird die Wiederholpräzision der Messungen beschrieben und mögliche Anwendungen des Systems für Patientenmessungen diskutiert.

Der letzte Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit einer unbeantworteten Frage über die Physiologie des Auges, nämlich ob es Tagesrhythmus abhängige Veränderungen im retinalen Blutfluss gibt. Dazu wurden vier gesunde Probanden rekrutiert, um den retinalen Blutfluss im Zeitraum von zwölf Stunden an drei verschiedenen Messtagen zu evaluieren. Ein potentieller Effekt der Tageszeit auf den retinalen Gesamtblutfluss wird beschrieben.

Zusammenfassung (Englisch)

Optical coherence tomography (OCT), a non-invasive imaging modality, enables the reconstruction of two- and three dimensional images based on the detection of the echo of backscattered light in a transparent or translucent sample. The technology images morphological features of the object. Doppler optical coherence tomography (D-OCT) provides additional information and contrast by phase sensitive analysis of the interference pattern. The method allows to give additional vessel contrast or quantitative velocity measurements of moving scatterers, like red blood cells.

In the course of this thesis, a novel multichannel phase sensitive spectral domain D-OCT system will be presented. The system features three individual active illumination and detection channels. It is capable to measure total retinal blood flow (TRBF) and the 3-D velocity vector of moving samples without the need for additional information on the vectors orientation, which is normally necessary.

In a first step, the development of an improved three beam D-OCT system is described. This step was necessary and critical for the further development of three beam D-OCT. The existing technology was still in its infancy, suffering from considerable shortcomings, preventing its use in a clinical situation. These shortcomings were addressed with the introduction of a custom designed optic, the facet prism telescope, and redesign of the sample arm, featuring a 2-D microelectromechanical systems (MEMS) scanning mirror. The new system is demonstrated for in vitro and in vivo imaging. For the latter, retinal blood flow (RBF) in arteries and veins was analyzed in healthy human subjects using circular scanning patterns.

Second, the adaption of the three beam D-OCT system to perform TRBF measurements is presented. In order to do so, faster line scan cameras were implemented into the previous system to avoid interference fringe washout due to higher blood velocities in larger vessels. A mathematical description of the three beam scanning geometry is elaborated, which enables the reconstruction of the velocity vector for larger scanning angles. Twenty healthy human eyes were evaluated with respect to TRBF and absolute blood velocity in each relevant vessel emerging from the optic nerve head. Furthermore the systems measurement repeatability is described and its possible translations to patient measurements are discussed.

The third part of this thesis approaches an unsolved question in the eyes physiology, namely if there are diurnal variations in RBF. Four healthy subjects were recruited to evaluate TRBF during a twelve hour period for three individual measurement days. The potential effect of daytime on TRBF is described.

Two journal articles, published in peer reviewed journals, and preliminary results on diurnal variations in TRBF form the core of this thesis. Furthermore the underlying basics and principles are elaborated.