Functional retinal optical coherence tomography : advancing data analysis and exploring holographic imaging concepts

Die optische Kohärenztomographie (englisch: optical coherence tomography, OCT) ist ein etabliertes optisches bildgebendes Verfahren. Die Anwendungsgebiete umfassen so unterschiedliche Bereiche wie medizinische Diagnostik, Materialverabeitung und Konservierung von Kunst. Der wichtigste Anwendungsbereich ist jedoch eindeutig das Feld der Ophthalmologie, da OCT das einzige bildgebende Verfahren darstellt, dass die nicht-invasive, dreidimensionale Bildgebung der Retina in vivo ermöglicht. Doppler OCT ist eine wichtige funktionelle Erweiterung von OCT, mit der die Geschwindigkeit von Streuern in Richtung des Laserstrahls extrahiert werden kann. Dies ist besonders interessant, um Blutfluss im Auge zu untersuchen, da Veränderungen der Blutflusscharakeristiken ein erstes Anzeichen für Pathologien sein können. Den Ausgangspunkt dieser Dissertation bilden Doppler OCT und die damit verbundenen Herausforderungen. Um die absolute Geschwindigkeit der Streuer zu bestimmen, ist es nötig, die extrahierte Geschwindigkeit mit dem Kosinus des Winkels zwischen Flussrichtung und dem auftreffenden Laserstrahl zu korrigieren. Im ersten Teil prÃ$sentieren wir einen Algorithmus, um den Dopplerwinkel im Kontext von Kreisscans um den Sehnervenkopf zu bestimmen. Weiterhin diskutieren wir, wie einfache Phasenwraps und Fringe- Wash-Out Artefakte korrigiert werden können. Um den Fluss zu extrahieren, ist es nötig, das Gebiet der Gefäße zu segmentieren. Bisher wurde dies manuell getan. Es ist jedoch für größere Studien unabdingbar, die Extraktion der Flusssignaturen weiter zu automatisieren. Im zweiten Teil dieser Dissertation präsentieren wir einen Segmentierungsalgorithmus, der mehrere Merkmale, die die Flussgebiete beschreiben, unter Verwendung einer Support Vector Maschine kombiniert. Wir benutzen Phasenwerte sowie texturbasierte Information, um den Fluss zu beschreiben. Neben quantitativen Flussmessungen kann Doppler OCT genutzt werden, um das Gefäßnetzwerk in vivo qualitativ abzubilden. Dies kann auch erzielt werden, indem Intensitätsbilder mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung aufgenommen werden. Wir erreichen dies, indem wir ein spektral-domänen OCT System mit einem Ti:sapphire Laser ausstatten. Wir untersuchen die Integrität des Kapillarnetzwerks gesunder und kranker Augen unter Nutzung der fraktalen Dimension und können zeigen, dass dies ein vielversprechender Indikator für die Früherkennung von Krankheiten ist (mitverfasstes Paper). In der in vivo ophthalmischen OCT wird die Auflösung des Systems durch okulare Aberrationen verschlechtert. Daher wird die höchste laerale Auflösung momentan durch adaptive Optik (AO) erreicht. AO Systeme sind jedoch sehr komplex und teuer. Wir schlagen daher ein Holographiesystem vor, von dem wir glauben, dass es in der Lage ist, in vivo Aufnahmen der menschlichen Retina zu erstellen. Holographie bietet vollen Zugang zur Wellenfront und eröffnet somit die Möglichkeit, die Auflösung von AO Systemen zu erreichen, indem Wellenfrontaberrationen digital korrigiert werden. Eine große Herausforderung der Anwendung von Holographie zur Bildgebung des Auges ist die Reflektion der Kornea. In dem System, das wir vorschlagen, nutzen wir diese Reflektion als Referenz in einem in-line Setup. Wir demonstrieren die Möglichkeit der Aberrationskorrektur und zeigen vorläufige Ergebnisse mit einem streuenden Sample. Im Appendix demonstrieren wir ein lateral-scherendes holografisches Bildgebungssystem, das während meines Aufenthalts an der University of Connecticut entwickelt wurde. Es ist ein sehr günstiges Bildgebungssystem, das interessante Anwendungen in entlegenen ländlichen Gegenden haben könnte, insesondere in Entwicklungsländern. Vier Publikationen in referierten Fachzeitschriften bilden die Eckpfeiler dieser Dissertation. Beiträge umfassen Datenanalysealgorithmen für Doppler OCT und den Vorschlag von zwei holografischen Bildgebungssystemen, eines für die ophthalmologische Bildgebung und das andere für Sensing-Anwendungen.Optical Coherence Tomography (OCT) is an established optical imaging technology. Areas of application are as diverse as medical diagnostics, materials processing and conservation of art. The most important one, however, clearly is the field of ophthalmology, as OCT is the only imaging modality that allows for the non-invasive, three-dimensional imaging of the retina in vivo. Doppler OCT is an important functional extension of OCT with which the velocity of scatterers in the direction of the laser beam can be extracted. This is particularly interesting for investigating blood flow in the eye as changes in blood flow characteristics can be a first indicator of pathologies. The starting point of this thesis is formed by Doppler OCT and its associated challenges. In order to access the total velocity of the scatterers, it is necessary to correct the extracted velocity with the cosine of the angle of the flow direction to the direction of the impinging laser beam. In the first part, we present an algorithm for the extraction of the Doppler angle in the context of circumpapillary scans around the optic nerve head. We also discuss how to correct the flow for simple phase-wraps and fringe wash-out artifacts. For the extraction of the flow, it is necessary to segment the area of the vessels. So far, this has been done manually. However, for larger studies it is necessary to further automate the extraction of flow signatures. In the second part of the thesis, we present a segmentation approach that combines several features describing the flow areas using a support vector machine. We use the phase values as well as texture based information to describe flow. Next to quantitative flow measurements, Doppler OCT can be used to qualitatively map the vessel network in vivo. This can also be done by using the intensity images under the condition of a very high spatial resolution. We achieve this by equipping a spectral domain OCT system with a Ti:sapphire laser. We investigate the integrity of capillary networks of healthy and diseased eyes by using the fractal dimension and can show that this is a promising indicator for early disease diagnosis (co-authored paper). In in vivo ophthalmic OCT, the resolution of the system is degraded by ocular aberrations. Thus, the highest lateral resolution is currently achieved via adaptive optics (AO). AO systems are very complex and expensive, however. We, therefore, propose a holographic imaging device which we believe to be capable of acquiring in vivo images of the human retina. Holography provides full access to the wavefront and, thus, opens the possibility of matching the resolution of AO systems by digitally correcting wavefront aberrations. A great challenge when applying holography to imaging the eye is the reflection of the cornea. In the approach that we propose, we use this reflection as reference wave in an in-line setup. We demonstrate the possibility of aberration correction and show preliminary results using a scattering sample. In the appendix, we demonstrate a lateral shearing holographic imaging device that was developed during my stay at the University of Connecticut. It is a very cheap imaging device that might have interesting applications in remote rural areas, especially in developing countries. Four journal papers form the cornerstones of this thesis. Contributions include data analysis algorithms for Doppler OCT and the proposal of two holographic imaging systems, one for ophthalmologic imaging and the other for sensing applications.submitted by Amardeep S. G. SinghAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheWien, Med. Univ., Diss., 2012OeBB(VLID)171409