Advanced techniques for endoscopic optical coherence tomography

Der Bedarf an neuen Geräten, die durch die Bereitstellung neuer, nichtinvasiver, schneller und zuverlässiger Diagnosemöglichkeiten die derzeitige Gesundheitsvorsorge verbessern können, ist bei der Betrachtung der aktuellen Krebsstatistiken offensichtlich. Diese weisen auf die Bedeutung einer frühen Diagnose hin um die Sterblichkeitsraten zu senken. Die optische Kohärenztomographie (OCT), eine nichtinvasive Bildgebungstechnik, die dreidimensionale Bilder von Gewebeproben bis zu einer Tiefe von 2 mm aufnehmen kann, ist hier sehr vielversprechend. In Kombination mit einem Endoskop können innere Organe erreicht und dabei hochaufgelöste Tiefeninformationen des Gewebes aufgenommen werden, und dadurch die derzeit durch Weißlicht-Endoskopie erhaltenen Informationen ergänzt werden. Zwei verschieden Arten von OCT Sonden existieren. Für die Untersuchung von Röhrenorganen werden seitlich scannende Sonden verwendet. Damit wurde bereits seit vielen Jahren Forschung betrieben und klinische Studien führten zur Kommerzialisierung erster Geräte. Vorwärtsbildgebende Vorrichtungen sind dagegen ideal um hohle Organe, z.B. die Blase, darzustellen. Sie sind allerdings komplizierter zu implementieren und erfordern einen ausgeklügelten Scan-Mechanismus. Hier fehlt es immer noch an Methoden und Konstruktionen von OCT-Sonden die klein sind, ein gewisses Maß an Flexibilität bieten und eine Abtastung des Lichtstrahls über ein 2D-Sichtfeld auf verlässliche Weise durchführen, während OCT-Bilder von hoher Qualität aufgenommen werden können. Darüber hinaus wurde ihre Bedeutung für die Verbesserung der derzeitigen Diagnose-methoden noch nicht intensiv klinisch untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschieden Ansätze einer vorwärtsscannenden Sonde für OCT untersucht. Als erstes wurde ein Faserbündel (FB) verwendet, dessen Verwendung mit verschiedenen Herausforderungen verbunden ist. Ein Einmodenverhalten des Lichts beim Durchgang durch die einzelnen Fasern des Bündels ist nicht mehr gewährleistet, sobald längere Wellenlängen im nahen Infrarotbereich verwendet werden, die typischerweise im OCT benutzt werden. Es bestehen jedoch Vorteile gegenüber anderen vorwärtsscannenden Sonden hinsichtlich Komplexität, Miniaturisierung und Flexibilität. Daher wurde die Leistung von drei verschiedenen FBs bewertet und verglichen. Eines der FBs wurde folglich bei in-vivo Experimenten am menschlichen Finger näher untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Fokus auf einen anderen Ansatz verlagert, der auf einer kleinen Piezo-Röhre basiert, die eine Faser über ein zweidimensionales Sichtfeld bewegt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Realisierung einer funktionalen Erweiterung von OCT, der OCT-Angiographie (OCTA). Diese Methode ermöglicht die Visualisierung der Mikrovaskulatur und kann möglicherweise die Früherkennung von Krebs verbessern, da Tumore für erhöhte Gefäßbildung bekannt sind. Aufgrund des spiralfärmigen Scans, der vom Piezo-Endoskop durchgeführt wird, war hier eine genauere Untersuchung erforderlich, um OCTA Bilder mit guter Qualität zu erhalten. Die Experimente mit dem FB und dem Piezo-Endoskop führten jeweils zu Publikationen in peer-reviewed Zeitschriften und sind in Kapitel 2 und 3 dieser Arbeit enthalten. Um den aktuellen Goldstandard (Narrow-Band Imaging) zur verbesserten Visualisierung der Mikrovaskulatur von inneren Organen mit dem OCTA Verfahren zu vergleichen, wurden außerdem Versuche mit einem bimodalen Endoskop durchgeführt. Diese Ergebnisse sind in Kapitel 4 dieser Arbeit zusammengefasst und werden derzeit für eine Einreichung vorbereitet. Die oben genannten Kapitel werden durch zusätzliche Informationen zur Bildgebungstechnologie OCT und OCT-Endoskopie in Kapitel 1 sowie einem Überblick über den Regulierungsprozess, der für die Durchführung einer klinischen Studie in vivo beim Menschen erforderlich ist, in Kapitel 5 ergänzt. Abgeschlossen wird die Arbeit mit einer allgemeinen Diskussion und Zusammenfassung.The need for novel devices that can improve the current health care situation by providing diagnostic capabilities that are non-invasive, fast and reliable is evident when looking at current cancer statistics that point out the significance of early diagnosis in order to decrease mortality rates. Optical coherence tomography (OCT), being a non-invasive imaging technique, able to acquire three-dimensional images of tissue samples up to a depth of 2 mm, shows great promises. When combined with an endoscope, inner organs can be reached and imaging can be performed to complement the information currently obtained by standard white-light imaging by providing additional in depth information at a micrometer resolution of the tissue. Two different kinds of OCT endoscopes exist. Side-ward imaging endoscopes are used to examine tubular organs. Research with those instruments has already been performed for many years and clinical studies lead to the commercialization of first devices. Forward imaging devices on the contrary are ideal to image hollow organs, e.g. the bladder. They are more complicated to implement and require a sophisticated scanning mechanism. Here, it still lacks in methods and designs of OCT probes that are small, provide some degree of flexibility and perform a scanning of the light beam over a two dimensional field of view in a repeatable manner while obtaining high quality OCT images. Furthermore, their significance in improving the current methods of diagnosis have not been intensively evaluated clinically yet. As part of this thesis, novel implementations of a forward imaging endoscope for OCT have been examined. The first approach uses a fiber bundle (FB) that comes along with various challenges, since a single mode behavior of the light when travelling through the individual fibers of the bundle is no longer guaranteed when using longer wavelengths in the near infrared region, typically used in OCT. However, advantages compared to other forward imaging endoscopes regarding complexity, miniaturization and flexibility exist. Therefore, the performance of three different FBs was evaluated. One of the FBs was consequently chosen for a more detailed evaluation during in vivo experiments on the human finger. In the second part of this thesis the focus was shifted towards a different approach based on a small piezo tube that scans a fiber over a two dimensional field of view. Here, emphasis was placed on the realization of a functional extension of OCT, named OCT angiography (OCTA). This method enables visualization of microvasculature and can potentially improve early cancer detection, since cancer sites are known for increased vasculature. Due to the spiral scan pattern that is performed by the piezo endoscope a more detailed investigation was here necessary in order to obtain OCTA images providing good quality. The experiments with the FB and piezo endoscope both resulted in accepted peer-reviewed journal articles that are included in Chapter 2 and 3 of this thesis. In order to compare the current gold standard for enhanced visualization of microvasculature on the surface of inner organ walls, namely narrow band imaging, with the OCTA imaging approach, experiments with a bimodal endoscope have furthermore been performed. These results are summarized in Chapter 4 of this thesis and currently under preparation for submission. The aforementioned chapters are complemented with additional information regarding the imaging technology OCT and OCT endoscopy in Chapter 1 as well as an overview about the regulatory process required to perform a clinical study in vivo in humans in Chapter 5. Finally, the thesis is concluded by a general discussion and conclusion.Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersArbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüftMedizinische Universität Wien, Diss., 2019(VLID)439197