Advanced signal acquisition and processing for frequency domain optical coherence tomography

Abstract

Optische Kohärenztomographie (OCT) hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung gemacht. OCT ermöglicht nichtinvasive optische Biopsie und erlaubt neue Einsichten in die Gewebsfunktion. Ausserdem ist diese Technik günstig im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren.<br />Die langsame Zeitbereichs-OCT wurde von Frequenzbereichs Techniken (FD-OCT) abgelöst. Diese ermöglichen in vivo drei-dimensionale (3D) Aufnahmen mit ca 300000 eindimensionalen Tiefenmessungen pro Sekunde.<br />In dieser Arbeit entwickeln wir fortgeschrittene Signalaufnahmearchitekturen und implementieren diese in mehreren FD-OCT Systemen. Verglichen mit seinem Vorgängersystem, bei dem normalerweise 10000 Tiefenmessungen pro Sekunde aufgenommen wurden, erreichen das neu elektronische Teilsystem und das Aufnahmeprogramm eine bis zu 30 mal höhere Aufnahmegeschwindigkeit. Die Verbindungmit maßgeschneiderten Signalverarbeitungsroutinen für hochqualitative Tomogramrekonstruktion war ein wichtiger Beitrag für mehrere angewandte Studien. Weiters schlagen wir fortgeschrittene Signalverarbeitungsalgorithmen vor, die für das Aufnehmen von Zellen mit hohem Dynamikbereich benötigt werden.<br />Einhergehend mit FD-OCT sind Effekte durch die endliche Auflösung die die Fringe-Auswaschung verursachen, welche in weiterer Folge eine tiefenabhängige Signalabschwächung hervorruft. Insbesondere breitbandige Spektrometerbasierte Systeme sind davon betroffen. Wir schlagen eine neue Filterbank (FB) Modellierung und Verarbeitung für FD-OCT vor. Diese erlaubt die spektralen Auflösungseffekte mathematisch genauer zu behandeln und erreicht von Natur aus eine Kompensation der Signalabschwächung. Wir zeigen einen durchschnittlichen Gewinn des nutzbaren Dynamikbereichs von 2 dB verglichen zu Techniken, die Signalüberabtastung und Spline Interpolation verwenden. Ein praktisch relevantes Ergebnis ist, daß die herkömmliche Verarbeitungstechnik ausreichend genau ist, da die Bildqualität nach Angleichung der rekonstruierten Tomograme aus Signalen mit einem typischen Dynamikbereich von ca. -40 dB in etwa dem Ergebnis der FB Verarbeitung entspricht.<br />Ein Nachteil von FD-OCT ist, dass es nicht möglich ist die komplette Signalphase zu erhalten da nur der Realteil eines im allgemeinen komplexen Spektrums detektiert wird. Deshalb kann mit herkömmlichen FD-OCT Systemen nur die Hälfte des verfügbaren Tiefenbereichs zur Abbildung verwendet werden. Ansonsten überlappen komplex konjugiert gespiegelte Terme mit Strukturen der Probe. Wir schlagen eine neue Vollbereichstechnik vor, die auf einen einfach zu erreichenden gewichtigen Dispersionsunterschied zwischen Referenz- und Probenstrahl beruht - dispersionkodierter Vollbereich (DEFR). Das DEFR Schema ist momentan die einzige Technik die den gesamten Tiefenbereich aus einer einzigen Tiefenlinienmessung rekonstruieren kann und lässt deshalb erwarten, dass sie von Natur aus phasenstabil ist. Der verdoppelte Messbereich bietet Vorteile für Weitfeldmessungen der Retina. Wir untersuchen schnelle Implementierungen, welche in einem moderaten Anstieg der Verarbeitungszeit um den Faktor 10 verglichen zur herkömmlichen Verarbeitung resultieren.<br />Wir präsentieren die Augenbiometrie basierend auf einer durchstimmbaren Lichtquelle als Anwendung von DEFR. Weiters demonstrieren wir in vivo ultra hochaufgelöste FD-OCT der Retina mit einer tiefenunabhängigen Auflösung von etwa 1.5 Mikrometer. Eine wichtige Basis dafür ist die vorgeschlagene Technik zur exakten Kalibrierung der nicht gleichverteilten spektralen Abtastpunkte, wie sie im verwendeten Breitbandspektrometer vorgefunden werden. Sensitivitätserhaltende ultraschnelle Geschwindigkeit mit 120000 bis 160000 Tiefenmessungen pro Sekunde in Verbindungmit bewegungssensitiver adaptiver Optik resultiert in bisher unerreichter Visualisierung und Quantifizierung von zellulären Strukturen zur in vivo Phänotypisierung in der normalen und pathologischen menschlichen Retina und wurde überhaupt erst durch die fortgeschritten Erfassungsarchitektur ermöglicht. Exemplarisch wird die Auswirkung von verbesserter Auflösung, Geschwindigkeit und Eindringtiefe auf 3D OCT der Retina demonstriert sowie die Anwendung auf 3D dermatologische OCT in verschiedenenWellenlängenbereichen (800 nm, 1060 nm und 1300 nm) gezeigt. Drei- und vier-dimensionale Visualisierung von Zellmigration mit ultra hochaufgelöster FD-OCT profitiert von der neu eingeführten automatischen Zeitrafferaufnahme.<br />

Optical coherence tomography (OCT) has undergone a dramatic evolution during the past years. Driven by the ability to accomplish noninvasive optical biopsies, it allows new insights into tissue functionality. Furthermore, it is cheap compared to other biomedical imaging modalities. Slow scanning of time domain OCT systems has been overcome through the introduction of frequency domain (FD) techniques, which enabled in vivo three dimensional (3D) imaging, with up to about 300000 depth-scans per second. In this thesis, we develop an advanced signal acquisition architecture and implement it in various FD-OCT systems. Compared to its predecessor which was typically operating at 10000 depth-scans per second, the new electronic subsystem and acquisition software enabled a speed increase by factors up to 30. In conjunction with tailored signal processing routines for high quality tomogram reconstruction a major contribution to several applied studies could be accomplished. Furthermore we propose advanced signal processing algorithms which are necessitated by high-dynamic range cellular imaging.<br />The fringe washout caused by finite resolution effects inherent to FD-OCT results in a pronounced depth dependent signal decay, in particular affecting broadband spectrometer based systems. We propose a novel filter bank (FB) modeling and processing scheme for FD-OCT which allows to treat spectral resolution effects mathematically more precisely and inherently compensates for signal decay. We demonstrate that FB processing allows a 2 dB average gain in dynamic range as compared to techniques using signal upsampling and spline interpolation. As practical important result we found that conventional processing is sufficiently accurate since image quality after equalization of reconstructed tomograms from signals with typical dynamic range of about -40 dB is somewhat similar to FB processing.<br />A drawback of FD-OCT is the inability to retain the complete signal phase since only the real part of a generally complex spectrum is detected. Thus, with standard FD-OCT systems only half of the available depth range can be used for imaging. Otherwise complex conjugate mirror terms overlap with sample structures. We propose a novel full range technique which is based on simple bulk dispersion mismatch between reference and sample beams - dispersion encoded full range (DEFR). The DEFR scheme is currently the only technique which can reconstruct the full range data from a single depth scan, i.e., it is expected to be inherently phase stable. The doubled measurement range benefits wide field retinal imaging. We investigate fast implementations, which result in a moderate increase of processing time by a factor 10 as compared to conventional processing.<br />Application of DEFR to swept source based in vivo ocular biometry is presented. Furthermore, ultra high resolution in vivo retinal FD-OCT with depth independent resolution of about 1.5 micrometer is demonstrated and is based on the proposed exact calibration procedure of non-uniform based spectral sampling points as found in the employed broadband spectrometer. Ultra high speed at sensitivity preserving 120000 to 160000 depth-scans per second in conjunction with motion sensitive adaptive optics achieved unprecedented visualization and quantification of cellular structures for in vivo phenotyping in the normal and pathologic human retina and has been enabled by the advanced acquisition architecture in the first place. As integral part of 6 FD-OCT systems, our hardware and software was a decisive contribution to several comparative applied studies. Exemplary the impact of enhanced resolution, speed and penetration on 3D retinal optical coherence tomography is demonstrated and application to 3D dermatologic OCT at different wavelength regions (800 nm, 1060 nm and 1300 nm respectively) is presented. Three- and four-dimensional visualization of cell migration using ultra high resolution FD-OCT benefits from newly implemented automatic time-lapse recording.