Assessment of retinal perfusion in the rat via Fourier-domain optical coherence tomography

Abstract

Optische Kohärenztomographie (OCT) ist ein nichtinvasives interferometrisches bildgebendes Verfahren, welches in der Lage ist, Querschnittbilder von biologischem Gewebe zu erstellen. Die Auflösung dieser Querschnittbilder bewegt sich im Mikrometerbereich. Eine Erweiterung der üblichen Datenauswertungsroutine von OCT Systemen ermöglicht es, die Geschwindigkeiten der untersuchten Probenteilchen basierend auf dem Dopplereffekt zu bestimmen; diese Erweiterung wird Doppler OCT genannt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Messsystem zum Zwecke der Bestimmung von relativen Änderungen des Blutflusses in großen Netzhautgefäßen in Rattenaugen entwickelt. Das System besteht aus einem in der Fourier-Domäne arbeitenden einstrahligen OCT Aufbau, der in der Lage ist, die Blutflussgeschwindigkeiten in großen Netzhautgefäßen zu messen und einem kommerziell erhältlichen Gerät zur hochpräzisen Bestimmung von retinalen Gefäßdurchmessern in Rattenaugen. Beide Systeme sind miteinander gekoppelt, um die gleichzeitige Messung von Blutflussgeschwindigkeiten und Gefäßdurchmessern von Netzhautgefäßen zu ermöglichen. Weiters wurde unter Benutzung desselben Messsystems eine Methode zur Bestimmung von Änderungen in der retinalen Mikrozirkulation entwickelt und getestet. Sowohl das entwickelte Messgerät als auch die neue Messmethode zur Erfassung von Änderungen in der retinalen Mikrozirkulation in Rattenaugen wurden durch in vitro Experimente getestet, bevor die ersten in vivo Versuche durchgeführt wurden. Anschließend wurden Blutflussänderungen in großen Netzhautgefäßen, bedingt durch das Einatmen von reinem Sauerstoff, sowie durch Lichtstimulation mittels eines Stroboskops im Rattenauge gemessen. Die gemessenen Gefäßdurchmesser- und Blutflussgeschwindigkeitsdaten bewegen sich in derselben Größenordnung wie in bereits publizierten Humanstudien. Weiters stimmen die Resultate der anschließend durchgeführten Hyperoxie Experimente in der Mikrozirkulation sehr gut mit den an großen Netzhautgefäßen ermittelten Hyperoxie Daten überein. Die Ergebnisse der Messungen mit dem vorgestellten Messsystem und der Methode zur Erfassung der Mikrozirkulation sind vielversprechend und zeigen, dass beide Entwicklungen in hohem Maße geeignet erscheinen, diverse Augenkrankheiten und deren zugrundeliegende Mechanismen in Tiermodellen zu untersuchen. Solche Untersuchungen können in Zukunft dazu beitragen, Augenkrankheiten besser zu verstehen und dabei helfen, mögliche medizinische Behandlungsstrategien zu entwickeln.

Optical coherence tomography (OCT) is an interferometric non-invasive imaging technique that is capable of creating cross-sectional images of biological tissues. The resolution of those cross-sectional images is in the micrometer range. Doppler OCT is an extension of the post-processing method used for regular OCT and allows the determination of the sample particles' velocities via the Doppler effect. In this work, a measurement system for the determination of relative changes in the blood flow of large retinal vessels in rat eyes was developed. The system consists of a single beam Fourier-domain OCT (FDOCT) setup, capable of measuring blood flow velocities in large retinal vessels, and a commercially available dynamic vessel analyzer for rodents, which allows high precision measurements of retinal vessel diameters. Both systems are coupled, so that blood flow velocities and vessel diameters of retinal vessels can be detected simultaneously. Furthermore, a method to detect changes in the retinal microcirculation using the same measurement system was developed and tested. The newly developed measurement system as well as the novel method for the assessment of the retinal microcirculation in rat eyes were both evaluated using in vitro tests before any in vivo experiments in test animals were conducted. Thereafter, oxygen breathing and flicker light induced blood flow changes were measured in large retinal vessels in the rat eye. The results of these experiments are in the range of the values presented in earlier human studies. Furthermore, the findings of the subsequent microcirculation hyperoxia experiments in this thesis are in excellent agreement with the hyperoxia data of large retinal vessel experiments. The promising results of the presented measurement system and microcirculation assessment method show a high potential for the study of ocular diseases and their underlying mechanisms in animal models. Such studies may contribute to the further understanding of ocular diseases and thus help to develop possible treatment methods.