Depth-resolved measurement of ocular fundus pulsations in rats using low-coherence tissue interferometry

Abstract

Niederkohärenz-Gewebeinterferometrie (Low-Coherence Tissue Interferometry, LCTI) ist eine optische Technik, die Licht niedriger zeitlicher Kohärenz verwendet, um die pulsatilen, Herzfrequenz-bezogenen Bewegungen verschiedener Augenstrukturen an vorbestimmten axialen Positionen (d.h. in unterschiedlichen Tiefen, entsprechend den verschiedenen reflektierenden Strukturen im Auge) zu untersuchen. Mit Hilfe von LCTI konnten Dragostinoff et al. [1] relative Veränderungen in den Positionen verschiedener Schichten des menschlichen Auges (z. B. innere Grenzmembran, retinales Pigmentepithel) in Bezug zur Hornhaut als Referenz messen. Jedoch sind Pulsationsmessungen der äußersten Schicht des menschlichen Auges, d.h. der Sclera, derzeit nicht möglich, was auf das große Blutvolumen innerhalb der Aderhaut und die damit verbundene Streuung und Absorption des Probenstrahls zurückzuführen ist. In dieser Masterarbeit wurde ein für menschliche Pulsationsmessungen benutztes LCTI-System adaptiert, um die Beobachtung von Augenpulsationen in allen Schichten (einschließlich Sclera) von Rattenaugen zu ermöglichen. Wegen der geringeren Dicke der Netzhaut- und Aderhautstrukturen und der damit verbundenen geringeren Absorption erscheinen derartige Messungen durchführbar. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden folgende Arbeiten durchgeführt: (1) Neu- konstruktion und Anpassung des optischen Systems; (2) in vitro Messungen an Phantomstrukturen; (3) in vivo Messungen an Ratten, die die Bestimmung der absoluten Position der Augenschichten in Bezug auf die Hornhautvorderfläche bzw. die Messung von Herzschlag-bezogenen Veränderungen in der Position dieser Schichten einschließen. Diese Masterarbeit ist der erste Schritt zur Etablierung eines Systems zur Untersu- chung sowohl der dynamischen als auch der langfristigen Variationen der axialen Lage der Schichtstrukturen in den Augen von Nagetieren. Das System ermöglicht sowohl eine Abschätzung des pulsierenden, okulären Blutflusses als auch die Messung des Echtzeitwachstums der axialen Augenlänge bei Myopiemodellen. Die Arbeit wurde in einer großen interdisziplinären Gruppe von Wissenschaftlern aus verschiedenen Disziplinen durchgeführt, im Speziellen Physik, Elektrotechnik und Medizin, unter der Leitung von Prof. Martin Gröschl, TU Wien, sowie Prof. René Werkmeister und Prof. Leopold Schmetterer, Medizinische Universität Wien. [1] Nikolaus Dragostinoff, René M. Werkmeister, Martin Gröschl, and Leopold Schmetterer. "Depth-resolved measurement of ocular fundus pulsations by low-coherence tissue interferometry". In: Journal of Biomedical Optics 14.5 (2009). doi: http://dx.doi.org/10.1117/1.3251049.

Low-coherence tissue interferometry (LCTI) is an optical technique that uses light of low temporal coherence for the observation of the pulsatile, heart rate related movement of various structures of the eye at pre-selected axial positions (i.e., in various depths, corresponding to different reflective structures in the eye). By means of LCTI, Dragostinoff et al. [1] were able to measure relative changes in the positions of various layers of the human eye (e.g., inner limiting membrane, retinal pigment epithelium) with to the cornea serves as reference. However, pulsation measurements of the outer most layer of the human eye ball, i.e. the sclera are currently not possible, which is due to the large blood volume within the choroid and the associated scattering and absorption of the probing beam. In this master thesis, an LCTI system for pulsation measurements in humans was adapted to allow for observation of ocular pulsations in all layers (including sclera) of the rat¿s eye. Due to the smaller thickness of retinal and choroidal structures and the related lower absorption, these measurements seem feasible. Within this master thesis following work packages were performed: (1) re-design and adaptation of the optical system; (2) in vitro measurements using phantom structures; (3) in vivo measurements on rats involving the determination of the absolute position of the ocular layers with respect to the cornea front surface and measurement of heart beat related changes in the position of these layers. This master thesis is the first step for establishment of an LCTI system for studying both dynamic and long-term variations in axial position of ocular structures in rodent¿s eyes. The system allows for both estimation of pulsatile ocular blood flow and measurement of real-time growth of axial eye length in myopia models. The work was performed in a large interdisciplinary group of scientists from dif- ferent sub-specialities, including physics, electrical engineering and medicine, under the guidance of Prof. Dr. Martin Gröschl, TU Wien and Prof. René Werkmeister, PhD, as well as Prof. Dr. Leopold Schmetterer, Medical University of Vienna. [1] Nikolaus Dragostinoff, René M. Werkmeister, Martin Gröschl, and Leopold Schmetterer. "Depth-resolved measurement of ocular fundus pulsations by low-coherence tissue interferometry". In: Journal of Biomedical Optics 14.5 (2009). doi: http://dx.doi.org/10.1117/1.3251049.