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Bibliographic Metadata

Title
Imaging human cutaneous morphology and microcirculation using photoacoustic / optical coherence tomography: imaging setup and application
Additional Titles
Bildgebung von menschlichen Hautmorphologie und Mikrozirkulation mit photoakustischer / optischer Kohärenz Tomographie: Gerät und Anwendung
AuthorZabihian, Behrooz
Thesis advisorDrexler, Wolfgang
Published2017
Descriptionxviii, 115 Blatt : Illustrationen
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Diss., 2017
Date of SubmissionJuly 2017
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)photoacoustic tomography / optical coherence tomography / angiography / human skin / capillary / papillary dermis
Keywords (EN)photoacoustic tomography / optical coherence tomography / angiography / human skin / capillary / papillary dermis
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-12221 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Imaging human cutaneous morphology and microcirculation using photoacoustic [16.81 mb]
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Abstract (German)

Goldener Standard in der Dermatologie fuer die Bildgebung von Gewebem morphologie ist Histopathologie. Es ist invasiv, muehsam und zeitaufwendig, daher wird es nur in notwendigen Faellen durchgefuehrt. Optische Kohaerenztomographie (OCT) ist eine nicht-invasive und nicht-ionisierende Bildgebungstechnik, die tief aufgeloeste Informationen von Weichgewebe bis zu einer Tiefe von 1-2 mm liefert. Es handelt sich um eine interferometrische Technik, die auf dem Kohaerenz-Gating basiert, bei der ein Laserstrahl zeilenweise die untersuchende Probe abtastet, und der zurueck reflektierte Strahl liefert die strukturelle Information. Diese Technik basiert auf der raeumlichen Verteilung des Brechungsindex des Gewebes. Mit OCT ist eine in-vivo volumetrische Visualisierung der Probe moeglich. Es ist eine gut etablierte bildgebende Modalitaet in der Augenheilkunde seit mehr als einem Jahrzehnt und es gewinnt Akzeptanz in der Dermatologie in den letzten Jahren.^ ^

Photoakustische Tomographie (PAT) ist eine neuere, nicht-invasive Modalitaet, bei der die Probe durch einen Hochleistungs-Pulsar-Laser angeregt wird und im Gegenzug durch thermoelastische Expansion akustische Wellen erzeugt und aufgezeichnet werden. PAT visualisiert die raeumliche Verteilung von Chromophoren, die das Anregungslicht bis zu einigen Millimetern Tiefe absorbieren. Haemoglobin in den roten Blutkoerperchen ist ein starker endogener Chromophor, wenn es um die In-vivo-Bildgebung geht und daher mit PAT die volumetrische Vaskulaturkarte erhalten kann. Diese Kapazitaet von PAT geht ueber die Histopathologie und Dermatoskopie hinaus. Im ersteren erfaehrt das Gewebe oft ein gewisses Mass der Verformung, wodurch der urspruenglicher Zustand des Gewebes veraendert und die Gefaesse aus dem Blut abgelassen werden und im letzteren sind keine Tiefe aufgeloeste Informationen verfuegbar.^ Diese und andere Gruende ueberzeugen Kliniker und Wissenschaftler um mehr Aufmerksamkeit fuer PAT als eine andere nicht-invasive diagnostische Technik, Nachfolgend vermarkten einige Anbieter bereits PAT-Geraete fuer praeklinische oder klinische Anwendungen. Die laterale Aufloesung von PAT liegt in der Groessenordnung von vielen Mikrometern, jedoch in zehnerschritten und eignet sich daher nicht fuer die Bildgebung von Kapillaren mit einem Innendurchmesser von Mikrometern, die kleiner sind. Eine funktionelle Erweiterung von OCT, die empfindlich auf bewegte Partikel ist, naemlich OCT-Angiographie (OCTA), eignet sich fuer die Abbildung von Kapillaren. Ein multimodales Bildgebungssystem, welches PAT / OCT / OCTA verwendet, wuerde eine komplementaere Bildgebung ermoeglichen, die Morphologie und funktionelle Eigenschaften von Gewebe kombiniert.

Im ersten Kapitel dieser Arbeit werden wissenschaftliche Hintergrund von OCT und PAT skizziert.^ Dann werden die Verbesserungen des bestehenden Dual-Modality-Imaging-Systems vorgestellt, die von Kandidaten umgesetzt wurden. Im zweiten Kapitel ist das erste Papier enthalten. Dort praesentieren wir die PAT / OCT-Visualisierung mehrerer Hautpathologien, bei denen die komplementaeren Informationen unseres Systems beispielloser Bilder der Pathologien an die Kliniker liefern. Im dritten Kapitel wird das OCTA eingefuehrt und dann folgt das zweite Papier, wo wir gezeigt haben wie OCTA Kapillarnetz in der Haut visualisierten. Im naechsten Kapitel diskutieren wir die Vor- und Nachteile des multimodalen Systems. Schliesslich sind die zukuenftigen Richtungen und die endgueltige Schlussfolgerungen im letzten Kapitel gegeben.

Abstract (English)

Golden standard in dermatology for imaging tissue morphology is histopathology. It is invasive, laborious and time consuming, therefore it is performed only in necessary cases. Optical coherence tomography (OCT) is a non invasive and non ionizing imaging technique that provides depth resolved information of soft tissue up to 1-2 mm depth. It is an interferometric technique based on coherence gating in which a laser beam raster scans a sample and the back reflected beam provides the structural information based on the spatial distribution of the refractive index of the tissue. Using OCT in vivo real time volumetric visualization of specimen is possible. It is a well established imaging modality in ophthalmology for more than a decade and it is gaining acceptance in dermatology in recent years.^ ^

Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging non-invasive modality in which sample is excited by high energy pulsar laser and in return through thermoelastic expansion acoustic waves are produced and recorded. PAT visualizes spatial distribution of chromophores that absorb the excitation light up to several millimeters in depth. Hemoglobin in the red blood cells is a strong endogenous chromophore when it comes to in vivo imaging and therefore using PAT one can obtain the volumetric vasculature map. This capacity of PAT goes beyond that of histopathology and dermatoscopy. In the former one the tissue often undergoes some degrees of deformation that the original condition of the tissue is changed and the vessels are drained from blood and in the later one no depth resolved information is available.^ These and other reasons are convincing clinicians and scientist to turn more attention to PAT as another noninvasive diagnostic technique and consecutively some vendors already commercialized PAT devices for preclinical or clinical applications. Lateral resolution of PAT is in the order of many tens of micrometers, and therefore is not suitable for imaging capillaries with inner diameter of few tens of micrometers to few micrometers. A functional extension of OCT that is sensitive to moving particle, namely OCT-Angiography (OCTA) fills the gap for imaging capillaries. A multimodal imaging system utilizing PAT/OCT/OCTA would enable complementary imaging combining morphology and functional properties of tissue.

In the first chapter of this thesis, scientific background of OCT and PAT are outlined. Then the improvements to the existing dual-modality imaging system that were implemented by the candidate are presented. In the second chapter the first paper is included.^ There we present PAT/OCT visualization of several cutaneous pathologies where the complementary information offered by our system provided unprecedented images of the pathologies to clinicians. In the third chapter the OCTA is introduced and then it is followed by the second paper where we showed how OCTA succeeds in visualizing the capillary network in skin. In the next chapter we discuss the advantages and drawbacks of the multimodal system. Finally the future directions and the final conclusion are given in the last chapter.

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