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Bibliographic Metadata

Title
Spatially resolved molecular sensitive imaging with optical coherence tomography utilizing coherent anti-Stokes Raman scattering
AuthorKamali-Dolatabadi, Tschackad
Thesis advisorDrexler, Wolfgang
Published2016
Description79, XXXIV Blatt
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Diss., 2016
Annotation
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Date of SubmissionJune 2016
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Optische Kohärenz Tomographie (OCT) / Kohärente Anti-Stokes Raman Streuung (CARS) / nichtlineare Mikroskopie / digitale adaptive Optik (DAO)
Keywords (EN)Optical coherence tomography (OCT) / Coherent anti-stokes Raman scattering (CARS) / Fourier transform CARS (FTCARS) / nonlinear microscopy / digital adaptive optics (DAO)
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-10693 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Spatially resolved molecular sensitive imaging with optical coherence tomography utilizing coherent anti-Stokes Raman scattering [9.36 mb]
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Classification
Abstract (German)

Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist ein etabliertes nicht-invasives bildgebendes Verfahren welches in der Lage ist, hochauflösende Schnittbilder von Gewebestrukturen im Mikrometermaßstab darzustellen.

Die Kohärente Anti-Stokes Raman Streuung (CARS) ist eine nichtlineare optische Bildge- bungsmethode und liefert chemische Informationen auf Mikrometer Basis. Ein großer Nachteil der CARS Methode ist der nicht-resonante Hintergrund. Durch die Zeitaufgelöste Fourier transform CARS (FTCARS) Methode ist es jedoch möglich den nicht-resonanten Hintergrund komplett zu eliminieren und Raman Spektren zu erhalten.

Durch die Kombination von OCT mit FTCARS können strukturelle und chemische In- formationen mit hoher Auflösung gewonnen werden. Die OCT ist in der Lage strukturelle Informationen von großen Arealen schnell darzustellen die von der CARS Mikroskopie genutzt werden können um chemische Informationen nur von gezielten stellen zu erhal- ten. Dies könnte Helfen Krankheiten zu diagnostizieren bevor strukturelle Änderungen stattgefunden haben.

Das Ziel dieser Arbeit war die Konzeption und Entwicklung einer Hybriden-multimodalen optischen Platform für die strukturelle und chemische Bildgebung basierend auf einem Ultrakurzpulslaser. Das erste Kapitel dieser Arbeit befasst sich mit den Theoretischen Grundlagen des CARS Prozesses und der OCT. Das zweite Kapitel handelt über die Entwicklung einer hybriden optischen Bildgebungs- Platform die in der Lage ist schnelle strukturelle Informationen zu liefern welche als Übersicht genutzt werden um chemische Informationen (5001500cm1, Fingerprint Region) von gezielten stellen zu erhalten. Die FTCARS Methode bietet Molekularen Kontrast ohne Beteiligung des nicht-resonanten Hintergrundes. Um Molekularen Kontrast aus der Lipid Region (2700 3100cm1) zu erhalten ist ein Ultrakurzpulslaser mit höherer Bandbreite erforderlich. Hierfür wurde ein Ultrakurzpulslaser mit einer Bandbreite von 290nm aufgesetzt.

Das dritte Kapitel demonstriert und evaluiert diesen Laser in einem Optischen Kohärenz Mikroskopie (OCM) / OCT System mit hoher numerischer Apertur (NA) um eine iso- trope Auflösung zu erzielen. Die Implementierung einer numerischen Methode für die Tiefenfokus Erweiterung wird besprochen welches dazu beitragen kann lineare (OCT) und nichtlineare Signale mit demselben Objektiv (hohe NA) zu erhalten.

Die FTCARS Bildgebung ist zeitlich an die Scanner Geschwindigkeit gebunden, daher wird eine einfacherer Methode vorgestellt um chemische Informationen zu erhalten. Das vierte Kapitel präsentiert die Kombination einer notch basierten CARS Methode mit OCT um zügig strukturelle und chemische Informationen zu erhalten. Eine Diskussion, Verbesserungsvorschläge und nächste Schritte für die hybride optische Bildgebungsplat- form schließen die Arbeit ab.

Abstract (English)

Optical coherence tomography (OCT) is an established noninvasive imaging technique capable of obtaining high-resolution cross-sectional images of tissue structure on the micron scale.

Nonlinear optical imaging techniques such as coherent anti-Stokes Raman scattering

(CARS) provide chemical information on a sub-micron scale with inherent three dimen- sional sectioning. However CARS has a non-resonant background which is a major drawback of the CARS process. By time resolving the CARS process with a method called Fourier transform CARS (FTCARS) the non-resonant background can be fully eliminated and Raman like spectra can be obtained.

By combining OCT with FTCARS structural and chemical information can be obtained in high resolution. OCT can provide rapid large structural visualizations and CARS can deliver a chemical map of an area of interest which can be chosen out of the large preview scan done by OCT. This offers great potential to diagnose disease long before structural changes occur.

The main goal of this thesis was to design and develop a hybrid multimodal optical imaging platform based on one single ultrafast laser source to be capable of resolving structural and chemical information. The first chapter of this thesis gives a brief overview of the theory of CARS and OCT. The second chapter presents and discusses the design, development and evaluation of a combined hybrid single source OCT imaging system with chemical / molecular contrast in the fingerprint region (500 1500cm1). OCT provides rapid structural scans which are used as an overview to locate specific areas of interest to further perform chemical mapping. Chemical sensitivity is achieved with FTCARS to fully eliminate the non-resonant background. To access the CH2 and CH3 stretching regions (2700 3100cm1) an ultrafast laser with much larger bandwidth is needed. As a first step an ultrafast laser with a bandwidth of 290nmwas setup.

The third chapter demonstrates the evaluation of this laser in an optical coherence microscopy (OCM) / OCT system with high numerical aperture to achieve isotropic resolution. An easy implementation of numerical depth enhancement is shown, which will obviate the need for microscope objective (MO) replacement to perform OCT and nonlinear imaging.Since FTCARS imaging is limited in speed due to the delay scanner, another simple much faster method to obtain chemical information is demonstrated. The fourth chapter demonstrates the combination of a notch based CARS sheme with OCT, to perform rapid structural and chemical imaging.

The thesis concludes with results, discussion, improvements and recommendations for further investigations on the hybrid multimodal optical imaging platform.

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