Titelaufnahme

Titel
Signal processing for ultrahigh resolution and functional ophthalmic optical coherence tomography / Boris Hermann
VerfasserHermann, Boris
Begutachter / BegutachterinUnterrainer, Karl ; Drexler, Wolfgang
Erschienen2006
UmfangIV, 153 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2006
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Optische Kohärenztomographie / Signalverareitung / Biomedizinische Technik / Ultrakurze Pulse / Festkörperlaser
Schlagwörter (EN)optical coherence tomography / signal processing / biomedical engineering / ultrafast lasers / solid state laser
Schlagwörter (GND)Augendiagnose / Optische Kohärenz / Tomografie / Signalverarbeitung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-21687 Persistent Identifier (URN)
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Signal processing for ultrahigh resolution and functional ophthalmic optical coherence tomography [7.6 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Das Auge ist das primäre Sinnesorgan. Frühzeitige Diagnose und Behandlung von Augenerkrankungen, die langfristig zur Erblindung führen, steigern die Lebensqualität erheblich. Hochauflösende optische Kohärenztomorafie (engl: UHR OCT) ist ein bildgebendes, nichtinvasives Verfahren der Ophthalmologie.

UHR OCT-Systeme erfordern Expertise in Elektronik, Photonik, Mechanik, Elektromechanik und Optik sowie Faseroptik und sind daher technisch sehr anspruchsvoll. Ebenfalls wichtige Schlüsselparameter sind Computerprogramme zur Kontrolle des Systems und für die Nachbearbeitung der Messdaten.

In dieser Dissertation werden die jüngsten Fortschritte zur Signalverarbeitung von ophthalmischen UHR OCT ex vivo und in vivo Daten behandelt. Nachbearbeitung von 2- und 3-dimensionalen UHR OCT Daten, ermittelt in Zeit- und Frequenzdomäne, wird präsentiert. Die in den letzten Jahren entwickelte "Frequency Domain" OCT (FD OCT) ermöglicht die volumetrische Erfassung bildgebender Daten innerhalb weniger Sekunden. 3D-Darstellungen verbessern das Verständnis morphologischer Veränderungen, hervorgerufen durch retinale Erkrankungen, wie z.B.

Makulalöcher oder Glaukom ("Grüner Star"). 3D-Visualisierung wird exemplarisch anhand von in vivo UHR OCT Daten von gesunden und erkrankten Augen gezeigt.

Histologie erreicht eine Kontrasterhöhung durch Einfärbung, wodurch sich bei der Netzhaut des Auges eine klar unterscheidbare Strukturierung in einzelne Schichten zeigt. Eine ähnliche morphologische Information wird mittels UHR OCT erreicht, wobei die Zuordnung zu den histologischen Befunden noch nicht ganz geklärt ist. Zwei Studien, die dieser Klärung der Ungereimtheiten zwischen OCT und Histologie dienen sollen, werden an Schweine- und Affennetzhäuten präsentiert.

Axiale und transversale Auflösung sind in OCT entkoppelt. Die axiale Auflösung wird hauptsächlich durch die Bandbreite des applizierten Lichts bestimmt, während die transversale Auflösung von den optischen Eigenschaften der verwendeten Komponenten abhängt. Sphärische Aberrationen der Optik des Auges verringern die transversale Auflösung.

Zur Verbesserung der transversalen Auflösung wurde adaptive Optik, die mittels deformierbarer Spiegel die Aberrationen kompensieren, in das UHR OCT System integriert.

Die objektive Dickenquantifizierung der verschiedenen Netzhautschichten kann zur frühzeitigen Diagnose maßgeblich beitragen. Im Rahmen einer Glaukomstudie wurden Algorithmen zur Vermessung von Nervenfaserschicht und Gesamtdicke der Netzhaut entwickelt. Des weiteren wurde ein halbautomatischer Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe Dickenprofile der Photorezeptorschicht des menschlichen Auges erstellt wurden.

Morphologische und funktionelle Änderungen sind üblicherweise eng miteinander verknüpft. Die frühzeitige Diagnostik könnte von tiefenaufgelösten funktionellen Messungen der Netzhaut profitieren.

Erste Ergebnisse funktioneller physiologischer OCT (Optophysiologie) an der Netzhaut werden vorgestellt.

Spektroskopische OCT (SOCT) ist eine funktionelle Erweiterung der OCT, die zusätzliche Kontrastierung bietet und somit möglicherweise wertvolle diagnostische und metabolische Informationen liefern kann. Um die Empfindlichkeit von SOCT zu evaluieren, wurden Absorptionsmessungen mit SOCT an Präparaten durchgeführt. Erste Ergebnisse qualitativer in vivo SOCT an retinalen Pathologien werden ebenfalls präsentiert.

Zusammenfassung (Englisch)

The eye is the primary sensory organ of human beings. Early diagnosis and treatment of diseases that are affecting the eye and ultimately lead to blindness, can have a significant impact on the quality of life. Ultrahigh resolution optical coherence tomography (UHR OCT) is a valuable diagnostic technique for noninvasive ophthalmic imaging.

Recent technical advances in UHR OCT enforced new signal processing algorithms. From a technical point of view UHR OCT systems are highly sophisticated. Electronics, photonics, mechanics, electromechanics, and optics as well as fiber optics are involved. Software for system control and signal processing is an indispensable key parameter of UHR OCT systems.

This thesis summarizes state of the art UHR OCT signal processing for ophthalmic UHR OCT in ex vivo as well as in vivo studies. Postprocessing for two- and three-dimensional time domain (TD) and frequency domain (FD) UHR OCT is presented. In the last few years, frequency domain OCT (FDOCT) enabled rasterscanning of three dimensional volumes within a few seconds. Three-dimensional visualization leads to a better perception and understanding of morphological changes caused by retinal diseases, like macular holes or glaucoma. The visualization of volumetric OCT data necessitated new fast representation techniques, which are evaluated in in vivo UHR OCT data of healthy and pathologic eyes.

Histology of the eye's retina uses staining techniques for contrast enhancement and enables visualization of the stratification of clearly distinguishable layers. A similar morphology is visualized by ophthalmic UHR OCT, whereas its correspondence to histology is still subject of an ongoing discussion. Two studies are presented in this thesis to solve the discrepancy between OCT and histology.

In OCT axial and transversal resolution are decoupled. Axial resolution is mainly determined by the bandwidth of the light source, whereas transversal resolution depends on the numerical aperture of the imaging optics. Spherical aberrations of the eye's optics blur the spot of the imaging beam in the retina and lead to a decreased transversal resolution. Adaptive optics, individually compensating these aberrations by means of deformable mirrors, was introduced to UHR OCT to correct for these aberrations and improve transversal resolution.

Thicknesses of intraretinal layers can be used for objective diagnosis of disease progression. Therefore segmentation algorithms have been developed for nerve fiber layer and total retinal thickness measurements for use in glaucoma diagnosis. Furthermore a semiautomatic segmentation algorithm was developed and evaluated to produce thickness maps of the photoreceptor layer in humans.

Morphological changes are often related to functional ones and vice versa. Early disease diagnosis could significantly profit from depth resolved functional measurements. First results of optical probing of retinal physiology using OCT are presented.

Spectroscopic OCT (SOCT) is another functional extension of OCT, which represents an additional contrast mechanism and might provide additional valuable diagnostic and metabolic tissue information. Absorption measurements with SOCT were performed on phantoms to evaluate the sensitivity of SOCT. First qualitative results on em in vivo measurements in retinal pathologies are also presented.