Determination of the total retinal blood flow using Fourier-Domain optical coherence tomography and fundus imaging

Abstract

Optische Kohärenztomografie (OCT) ist ein interferometrisches Untersuchungsverfahren zur Messung streuender Medien. Die Erweiterung der Technik zur Doppler optischen Kohärenztomografie ermöglicht es, mithilfe des Dopplereffektes auch Geschwindigkeitsmessungen durchzuführen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung eines neuen, zweistrahligen Doppler OCT-Systems im Fourier-Regime zur Messung des totalen Blutflusses im menschlichen Auge. Dies ist von großem Interesse, da eine Reihe von Augenkrankheiten mit Veränderungen des Blutflusses einhergehen. Das System weist im Vergleich zu bereits bekannten Systemen eine Reihe von Neuerungen auf: Zur Messung des Blutflusses in Gefäßen mit beliebiger Ausrichtung ist es mit zwei orthogonalen Detektionsebenen ausgestattet. Weiters ist in dem System ein kommerziell erhältliches Gerät zur dynamischen Gefäßerkennung integriert. Dieses ermöglicht die genaue Messung der Gefäßdurchmesser und erlaubt dadurch die Bestimmung absoluter Blutflusswerte. Die Messergebnisse, die in dieser Arbeit präsentiert werden, liegen im Bereich bisher veröffentlichter Werte des okularen Gesamtblutflusses. Ein Indikator für die Korrektheit der Messungen ist weiters, dass das Gerät es erlaubt, Flusswerte sowohl in Venen als auch in Arterien zu bestimmen. Da das Auge ein Endorgan ist, muss der arterielle Fluss dem venösen Fluss entsprechen. Die gute Übereinstimmung der Flusswerte der beiden Gefäßarten deutet auf eine hohe Validität der Messungen hin. Mit dem entwickelten Gerät ist es möglich, den Blutfluss in Gefäßen mit Durchmessern ab etwa 30 mikrom zu messen. Dieser große Messumfang erlaubt eine Analyse des Zusammenhanges von Blutfluss und Gefäßdurchmesser über einen weiten Bereich. Dies ermöglicht die Überprüfung des Gesetzes von Murray, das für den log-log Regressionskoeffizienten zwischen Fluss und Gefäßdurchmesser einen Wert von 3 vorhersagt. Für Gefäßdurchmesser über etwa 60 mikrom konnte eine gute Übereinstimmung der Werte mit den von Murrays Gesetz vorhergesagten Werten belegt werden. Für kleinere Gefäßdurchmesser wurde jedoch eine deutliche Abweichung von diesem Wert nachgewiesen. Die hohe Messgenauigkeit, der große Messbereich und die vorliegenden Messdaten deuten auf ein hohes Potential des Systems zur Untersuchung des okularen Blutflusses im Allgemeinen sowie seiner krankhaften Veränderung im Speziellen hin. Der hier beschriebene Aufbau erscheint daher geeignet, um in Zukunft einen Beitrag zur Früherkennung und rechtzeitigen Behandlung von Augenerkrankungen zu leisten.

Optical coherence tomography (OCT) is an interferometric method for the analysis of refractive media. The expansion of this technique to Doppler OCT allows the measurement of velocities via the Doppler effect. This work describes the development and application of a novel dual beam Doppler Fourier Domain optical coherence tomography system for the measurement of the total retinal blood flow. Blood flow measurements are of interest for medical reasons: a number of ocular diseases can be correlated with changes of the retinal perfusion. The presented system differs from previous systems in that it has two orthogonal detection planes, allowing to record the blood flow in vessels with arbitrary orientations. Moreover, a commercially available Dynamic Vessel Analyzer, yielding precise data on the vessel diameter, was included in the system. Thus, the blood flow can be measured in absolute values. The absolute blood flow values reported in this work lie within the range of values reported in literature. Moreover, the results reported in this thesis show a high degree of conformity between the flow in the arteries and veins, which further corroborates the measurements' validity. The system is capable of measuring the arterial as well as the venous flow in vessels with diameters down to about 30 microm. Thus, it is possible to measure the dependence of the flow on the vessel diameter for a very large range of values. For vessels with diameters of above 60 microm, these measurements yield a log-log correlation coefficient close to three, which would be expected according to Murray's law. For smaller diameters, however, a clear divergence from this relationship can be found. Owing to the high measurement sensitivity, the large possible measurement range, and the reliable results, the system has a high potential to be of use in the investigation of ocular perfusion. Thus, it may further our understanding of ocular diseases which go hand in hand with changes in the retinal blood flow.