DC Field
Value
Language
dc.contributor.advisor
Wolfgang Drexler
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dc.contributor.author
Unterhuber, Angelika
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dc.date.accessioned
2023-06-19T16:02:06Z
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dc.date.issued
2006
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dc.date.submitted
2006-04
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dc.identifier.citation
<div class="csl-bib-body">
<div class="csl-entry">Unterhuber, A. (2006). <i>Development and application of broadband light sources for ultrahigh resolution optical coherence tomography</i> [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/185101</div>
</div>
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dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/20.500.12708/185101
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dc.description
Zsfassung in dt. Sprache
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dc.description.abstract
Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist ein berührungsloses Abbildungsverfahren, das Schnittbilder aus biologischen Proben ermittelt. Das Funktionsprinzip beruht dabei auf der Weißlichtinterferometrie. Strukturelle Informationen des zu untersuchenden Objekts werden durch rückgestreutes Laserlicht gewonnen.<br />Dadurch kann ein tiefenaufgelöstes Reflexionsprofil ermittelt werden das durch Unterschiede im Brechungsindex im Gewebe hervorgerufen wird.<br />Transversale und axiale Auflösung sind entkoppelt. Die axiale Auflösung ist von den Parametern der verwendeten Lichtquelle abhängig. Eine optisch breitbandige Lichtquelle, die eine kurze zeitliche Kohärenz besitzt, ermöglicht eine hohe axiale Auflösung innerhalb der Tiefenschärfe für die OCT.<br />Die axiale Auflösung von standardmässig verwendeten Lichtquellen wie Superlumineszenzdioden liegt im Bereich von 10-15 µm. Diese Auflösung ist ungenügend um Strukturen in zellulären Dimensionen darzustellen.<br />Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Entwicklung und systematischen Untersuchung breitbandiger Lichtquellen im sichtbaren und nahen Infrarot, um die Visualisierung von subzellulären Strukturen im Gewebe zu ermöglichen.<br />Titan:Saphir eignet sich hervorragen als Lichtquelle für die OCT, durch unübertroffene Fluoreszenzbandbeite und exzellente optische Eigenschaften im Bereich der Festkörperlaser. Fortschritte bei der Dispersionskontrolle und ein optimiertes Resonatorlayout ermöglichten die Realisierung eines fs-Titan:Saphir Lasers mit 300 nm Bandbreite und geringen spektralen Modulationen. Mit dieser Bandbreite konnte eine bahnbrechende axiale Auflösung im Gewebe erreicht werden.<br />Im klinischen Einsatz sind Kompaktheit, Kosteneffektivität sowie einfache Handhabung und Wartungsfreiheit eine Grundvoraussetzung und prägten daher massiv die Entwicklung der Lichtquelle. Das Endprodukt zeichnete sich durch ausgezeichnete Langzeitstabilitat auf Grund eines kompakten Aufbaus sowie Kostenreduktion gegenüber herkömmlichen fs-Titan:Saphir Lasern durch Integration einer kompakten kostengünstigen Pumplichtquelle in den Laseraufbau aus. In Kooperation mit Femtolasers Produktions GmbH konnte auf dieser Basis ein neues Produkt (Integral OCT) etabliert werden. Der Integral OCT zeichnet sich durch sein kompaktes Design. ein versiegeltes Gehäuse und aktiver Nachregelung der Ausgangsleistung aus. Dadurch kann eine unübertroffene Qualtität, Stbiliät und Reproduzierbarkeit erreicht werden.<br />Basierend auf Titan:Saphir Lasern wurden verschiedene nichtlineare Medien - nichtlineare Fasern und Wellenleiter - erforscht. Hohe Intensitäten in Kombination mit nichtlinearen Materialien ermöglichen die Erzeugung von einem Superkontinuum. Durch Variation der Eingangsparameter des Lichtes - Pulsdauer, Repetitionsrate sowie Ausgangsleistung Laser und der Parameter des nichtlinearen Medium - Durchmesser und Länge der Fasern sowie zusätzliche Dotierung und Dotierkonzentration bei Wellenleitern konnte eine systematische Untersuchung der Superkontinuumerzeugung erzielt werden. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Erzeugung von Spektren im sichtbaren und nahen Infrarot im therapeutischen Fenster gelegt. Lichtquellen, die bei 600 nm zentriert sind, sind für spektroskopische OCT extrem interessant. Bandbreiten bis zu 140 nm konnten realisiert werden. Bei längeren Wellenlänge zentriert bei ~ 1060 nm konnten Bandbreiten bis zu 230 nm erreicht werden.<br />Um die Einsatzmöglichkeiten dieser Lichtquellen für die OCT zu evaluieren wurden Bandbreite, spektrale Form, Ausgangsleistung und Rauschverhalten der Lichtquellen mit kommerziell erhältlichen Lichtquellen verglichen. Weiters wurden die Lichtquellen in einem ersten Anlauf in einem free space und faserbasierenden Interferometer getestet.<br />Schnittbilder wurden aus ausgewählten Gewebeproben aus dem Bereich der Opthalmologie, der Neurologie und der Dermatologie erstellt. Eine sorgfältige Studie mit Affennetzhäuten zeigte Unterschiede in Kontrast und Eindringtiefe bei unterschiedlichen Wellenlängen. Schnittbilder von der Netzhaut mit breitbandigen Titan:Saphir Lasern erstellt, errmöglichen die Visualiserung aller intraretinalen Schichten, längere Wellenlängen erlauben tiefere Eindringtiefe in das Choroid. Von Neuropathologien generierte Schnittbilder zeigten deutliche Unterschiede zwischen normalen und pathologischen Gewebe. Weiters wurden sowohl Hautbiopsien als auch in vivo Haut systematisch untersucht und mit Histologie verglichen.<br />Während der Titan:Saphir Laser unschlagbare Auflösung im nahen Infrarot ermöglicht, erlauben faserbasierende Lichtquellen die Erforschung anderer Wellenlängenbereiche. Titan:Saphir Laser ermöglichen Einblick in intrazelluläre Stukturen durch sub µm axiale Auflösung. Sie können in der Krebsfrüherkennung einen wichtigen Beitrag leisten und eine nichtinversive Alternative zur Biopsie darstellen. Längere Wellenlängen sind gefragt bei Anwendungen, die eine tiefere Eindringtiefe verlangen und keine sub µm Auflösung erfordern.<br />
de
dc.description.abstract
Optical Coherence Tomography (OCT) is a medical imaging technique which has been established within the last two decades. It performs non-invasive, high resolution cross-sectional images from a series of laterally adjacent depth-scans. Anatomic microstructures of transparent and non-transparent biological tissue are investigated by employing broad bandwidth light sources and measuring the backscattered light with a heterodyne detection technique.<br />This work mainly focuses on the development and investigation of different broadband light sources in the visible and near infrared regime. The optimization of ultra broad bandwidth Ti:sapphire lasers poses a major interest. Ti:sapphire laser are excellent light sources for ultrahigh resolution (UHR) OCT due to the extraordinary large gain bandwidth and high optical output power. With advanced mirror technology, dispersion control and adapted cavity design, optical bandwidth of up to 300 nm at full width of half maximum (FWHM) could be achieved resulting in sub-µm axial resolution OCT in tissue. The light source was optimized in respect of compactness, cost effectiveness and applicability in the clinical environment with the aim of the realization of a commercial available product for UHR OCT. Our efforts resulted in a sealed all in one system with integrated low-cost pump laser on a small footprint of about 500 mm x 180 mm. With the release of a compact, cost effective, user-friendly state of the art Ti:sapphire laser (Integral OCT) Femtolasers Produktions GmbH has established this novel OCT light source in industry. A compact design as well as the active feedback loops guarantees output parameters of unprecedented quality, stability and reproducibility.<br />Originating in Ti:sapphire lasers nonlinear media - microstructured fibres (MF) and waveguides - are investigated and explored in terms of nonlinear effects and corresponding supercontinuum generation. Different Ti:sapphire lasers are modified in respect of pulse duration, output power and repetition rate and coupled to MFs and waveguides with varying parameters concerning diameter, length and in case of waveguides doping and doping concentration. Supercontinua in the visible and near infrared wavelength region could be achieved. Special attention was drawn to spectra centered at 600 nm with about 140 nm bandwidth which seems to be specially interesting for spectroscopic OCT and to spectra in the 1060 nm regime the so-called "water window", where bandwidths of about 230 nm could be obtained.<br />To test the performance of these light sources we compared it with commercial available light sources in terms of bandwidth, spectral shape, output power and noise behaviour. The applicability of these light sources for OCT was investigated using a free space and fibre based interferometric setup. Selected ophthalmic, neurologic and dermatologic samples were imaged to compare the performance. A thourough study was performed on monkey retinas showing different contrast and penetration dephts using multiple wavelengths. In vivo clinical UHR ophthalmic OCT imaging of retinal pathologies in patients was demonstrated. Neuropathologies imaged at 800 nm with sub µm axial resolution show distinct features and anomalies in tumors. Tomograms from ex vivo and in vivo skin samples were performed to visualize sudden changes related to cancer.<br />Ti:sapphire lasers are capable of unprecedented resolution in the 800 nm regime enabling sub-µm axial resolution and additionally provide access to a spectral region covering the absorption bands of a number of biological chromophores, thus having great potential for SOCT.<br />Recent attempts concerning in vivo ophthalmic OCT imaging at 1040 nm make it reasonable going towards longer wavelengths for early diagnosis of some macular pathologies. Choroidal neovascularization in age related macular degeneration is the predominant cause of blindness in elderly people. Deeper penetration dephts at 1040 nm compared to 800 nm allow for visualization of choroidal vessels below the RPE. Also in skin imaging a significantly improved penetration depth should be acessable at longer wavelength. The main limiting factor in this wavelength regime is the lack of sufficient broad bandwidth stable and userfriendly light sources capable of sub 3µm axial resolution.<br />Ultrabroad bandwidth light sources enabling unprecedented sub 2 µm axial resolution have been developed and evaluated with respect to their feasibility for clinical UHR OCT. In vitro UHR OCT imaging is demonstrated at multiple wavelengths in human cancer cells, animal ganglion cells as well as in neuropathologic and ophthalmologic biopsies in order to compare and optimize the image contrast, resolution and penetration depth. SOCT and transparant tissue imaging where UHR is required have great potential in the 600 to 800 nm regime, while nontransparant tissue demands for imaging at longer wavelengths accepting reduced axial resolution.
en
dc.language
English
-
dc.language.iso
en
-
dc.subject
Laser
de
dc.subject
ultrakurze Lichtimpulse
de
dc.subject
Superkontinuum
de
dc.subject
Photonische Kristalle
de
dc.subject
Optische Kohärenztomografie
de
dc.subject
Dispersive Spiegel
de
dc.subject
Medizin
de
dc.subject
Biologie
de
dc.subject
berührungslose Biometrie
de
dc.subject
laser
en
dc.subject
ultrashort light pulses
en
dc.subject
supercontinuum generation
en
dc.subject
photonic crystals
en
dc.subject
optical coherence tomography
en
dc.subject
dispersive mirrors
en
dc.subject
medicine
en
dc.subject
biology
en
dc.subject
contactless biometry
en
dc.title
Development and application of broadband light sources for ultrahigh resolution optical coherence tomography
en
dc.type
Thesis
en
dc.type
Hochschulschrift
de
dc.contributor.affiliation
TU Wien, Österreich
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tuw.thesisinformation
Technische Universität Wien
-
dc.contributor.assistant
Karl Unterrainer
-
tuw.publication.orgunit
E387 - Institut für Photonik
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dc.type.qualificationlevel
Doctoral
-
dc.identifier.libraryid
AC05032115
-
dc.description.numberOfPages
155
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dc.thesistype
Dissertation
de
dc.thesistype
Dissertation
en
item.languageiso639-1
en
-
item.fulltext
no Fulltext
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item.cerifentitytype
Publications
-
item.cerifentitytype
Publications
-
item.grantfulltext
none
-
item.openairetype
Thesis
-
item.openairetype
Hochschulschrift
-
item.openairecristype
http://purl.org/coar/resource_type/c_18cf
-
item.openairecristype
http://purl.org/coar/resource_type/c_18cf
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crisitem.author.dept
E387 - Institut für Photonik
-
crisitem.author.parentorg
E350 - Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
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