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Bibliographic Metadata

Title
Multi-channel optical coherence tomography for retinal imaging / submitted by Andreas Wartak
Additional Titles
Mehrkanal optische Kohärenztomographie zur Netzhaut-Bildgebung
AuthorWartak, Andreas
Thesis advisorHitzenberger, Christoph
Published2018
Description112 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Diss., 2018
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Date of SubmissionJanuary 2018
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Optische Kohärenztomographie / Ophthalmologie / Netzhaut / Bildgebung / Mehrkanal
Keywords (EN)Optical coherence tomography / Ophthalmology / Retina / Imaging / Multi-channel
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-14444 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
Files
Multi-channel optical coherence tomography for retinal imaging [7.08 mb]
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Reference
Classification
Abstract (German)

Die optische Koärenztomographie (OCT) ist ein dreidimensionales bildgebendes Verfahren, welches sich das Prinzip der Interferometrie zu Nutze macht um transparente oder lichtdurchlässige Proben nicht-invasiv und dennoch in Sekundenschnelle bei hoher Auflösung zu untersuchen. Herkömmliche OCT-Instrumente setzen nur einen Signal-Kanal ein um mikrometergenaue Querschnittsbilder im lebenden Gewebe in Echtzeit aufzunehmen. Dennoch erwies sich das Hinzufügen zusätzlicher Signal-Kanäle für eine Vielzahl von OCT-Erweiterungen als erfolgreich. Die Augenheilkunde, insbesondere die Netzhaut-Bildgebung, entwickelte sich rasch zum wichtigsten medizinischen Anwendungsgebiet der OCT. Seit ihrer Einführung in den frühen 1990er Jahren, erzielte sowohl die Diagnose als auch die Überwachung des Behandlungsfortschritts von Netzhauterkrankungen revolutionäre Fortschritte. Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden bestehende OCT Mehrkanal-Methoden weiterentwickelt, sowie neuartige Konzepte vorgestellt. Die präsentierten Mehrkanal-OCT-Prototypen werden hauptsächlich für Erweiterungen der rein morphologischen Bildgebung verwendet, d.h. für Doppler-OCT (DOCT) und direktionale OCT. Das erste Instrument, ein Dreikanal-OCT-System mit durchstimmender Lichtquelle, wurde für Messungen des retinalen Blutflusses (RBF) mit Hilfe von DOCT entwickelt. Die Besonderheit dieses Geräts liegt, neben der angewandten Lichtquellen-Technologie, in seinem sogenannten aktiv-passiv-Ansatz zur Signal-Detektion. Nur einer der drei Kanäle wird zur Beleuchtung herangezogen (einer aktiv, zwei passiv). 3D-Geschwindigkeits-Vektor Messungen in einem Fluss-Phantom und RBF-Messungen in den Augen gesunder Probanden werden demonstriert. Der zweite Prototyp stellt eine weitere unterschiedliche Mehrkanal-Methode vor. Der Einbau faseroptischer Hochgeschwindigkeits-Schalter in den Proben-Arm des Instruments ermöglicht die Einführung sogenannter zeitlich-kodierter Mehrkanal-OCT. Durch diese Technik beleuchten die drei Kanäle die Probe nicht gleichzeitig, sondern sequentiell in extrem kurzer Abfolge. Das Umschalteintervall zwischen den einzelnen Kanälen wird bis auf die A-Scan-Rate der durchstimmenden Lichtquelle (Inter-A-scan-Schalten) und darüber hinaus (Intra-A-Scan-Schalten) erhöht. Auch dieses Gerät wird primär für DOCT-RBF-Messungen betrieben. In diesem Fall erlauben die anpassbaren Umschaltintervalle eine Erweiterung des Bereichs eindeutiger absoluter Geschwindigkeits-Messungen. Das dritte Projekt fokussiert sich auf die Einführung einer neuartigen Mehrkanal-OCT-Erweiterung multi-direktionaler OCT. Die direktionale OCT untersucht die winkelabhängigen Streueigenschaften von Proben in Bezug auf unterschiedliche Beleuchtungsrichtungen mit Hilfe von Bilddaten aufeinanderfolgender Aufnahmen. Die multi-direktionale OCT hingegen ermöglicht die Visualisierung und Kontrastierung von direktional reflektierenden Strukturen innerhalb einer einzigen Aufnahme. Unter Verwendung dieser neuen Technik werden spezielle Netzhautschichten/regionen, welche direktionale Streuung aufweisen, qualitativ als auch quantitativ untersucht. Drei Journal-Artikel (zwei peer-reviewed, einer derzeit im Peer-Review) bilden die Grundlage dieser Doktorarbeit. Zusätzlich werden technologische sowie medizinische Hintergrundinformationen zur Verfügung gestellt und erläutert.

Abstract (English)

Optical coherence tomography (OCT) is a three-dimensional imaging modality using the interferometric principle to probe transparent or translucent samples non-invasively, at high-speed and with high resolution. Conventional OCT instruments employ a single imaging channel to obtain real-time cross-sectional images of micrometer scale resolution in vivo. However, the addition of supplementary imaging channels proved successful for a variety of OCT sub-modalities or extensions. Ophthalmology, and in particular retinal imaging, rapidly evolved into OCTs most distinguished medical field of application. Since its introduction in the early 1990s, ophthalmic disease detection and monitoring of treatment response both experienced a revolutionary surge of advancement. Within this doctoral thesis, existing multi-channel approaches for retinal OCT are improved and expanded as well as novel concepts developed. The presented multi-channel OCT prototypes are primarily applied for extensions beyond purely morphologic imaging, i.e. for Doppler OCT (DOCT) and directional OCT. The first instrument, a three-channel swept source OCT system, was developed for retinal blood flow (RBF) measurements using DOCT. Besides the integration of recent light source technology, the instrument features a so-called active-passive approach in terms of signal detection. Only one of the three probing channels is employed for sample illumination (one active, two passive). 3D velocity vector measurements in a flow phantom and RBF measurements in the eyes of healthy human volunteers are demonstrated. The second prototype features another approach for multi-channel sample illumination. By the integration of high-speed fiber optical switches in the sample arm of the instrument, the technique of time encoding is introduced for multi-channel OCT. The three channels are not illuminating the sample simultaneously but sequentially in extremely short succession. The channel switching interval is increased to the A-scan rate of the tunable light source (inter-A-scan switching) and beyond (intra-A-scan switching). Again, primarily DOCT flow measurements are demonstrated this time, using alterations of the switching schemes for the purpose of extending the range of unambiguous absolute velocity measurements. The third project focuses on the introduction of a novel multi-channel OCT contrast extension multi-directional OCT. Directional OCT investigates the angular scattering properties of samples from different illumination orientations using consecutive measurements. Multi-directional OCT, however, enables visualization and contrasting of directionally reflective structures within a single acquisition. Using this new technique, specific retinal layers/areas exhibiting directional scattering are investigated qualitatively as well as quantitatively. Three journal articles (two peer-reviewed, one in peer-review at present) build the foundation of this thesis, while technological and medical background information is provided along.

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