Dual-beam bidirectional Doppler Fourier domain optical coherence tomography for the characterization of the retinal vascular network perfusion

Abstract

Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist ein nicht invasives Verfahren das es ermöglicht die Morphologie von Gewebe zu bestimmen. Die Eindringtiefe beschränkt sich dabei üblicherweise auf wenige Millimeter. Die Ophthalmologie ist aufgrund der optischen Eigenschaften des Auges eines der Hauptanwendungsgebiete der OCT. In den letzten Jahren wurden einige funktionelle Erweiterungen der OCT entwickelt. Eine von diesen ist Doppler OCT, die es ermöglicht die Geschwindigkeit von Streuern zu bestimmen und auf diesem Wege den retinalen Blutfluss zu quantifizieren. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht als eine Weiterentwicklung der konventionellen Doppler OCT ein zweistrahliges Doppler OCT System. Diese Technologie erlaubt durch Nutzung von zwei Messstrahlen die Gewinnung von absoluten Blutflussdaten. Ein Ziel dieser Arbeit war es neue Analysemethoden für die gemessenen Doppler OCT Daten zu entwerfen. Dafür wurde ein Verfahren entwickelt um basierend auf dem OCT Signal das Geschwindigkeitsvektorfeld im Gefäß zu bestimmen, wodurch das Flussverhalten in Gefäßen mit einem Durchmesser < 100µm visualisiert werden kann. Mit dieser Methode ist es außerdem möglich Gefäßabschnitte zu analysieren, deren Messdaten mit den bisher gängigen Auswertemethoden nicht interpretierbar waren. Solche Gefäßabschnitte sind beispielsweise venöse Zusammenflüsse oder arterielle Aufzweigungen von Gefäßen. Außerdem wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Flussmodell für die Retina entwickelt. Damit wurde die neurovaskuläre Kopplung untersucht, ein Phänomen, das bei der Anpassung des retinalen Blutflusses eine wichtige Rolle spielt. Anhand des Modells wurde untersucht, wie sich Durchmesseränderungen in der Vaskulatur auf die Durchblutung auswirken. Diese Änderungen wurden in vivo durch Stimulation der Retina mit Flickerlicht herbeigeführt. Blutflussmessungen wurden im Normalzustand und während Stimulation durchgeführt. Das ermöglichte es, die verschiedenen Perfusionszustände zu vergleichen. Des Weiteren konnten anhand des Flussmodells Veränderungsmuster der Durchmesser der retinalen Vaskulatur mit den in vivo Blutflussdaten korreliert werden.

Optical coherence tomography (OCT) is a non-invasive measuring technique that enables the acquisition of both the morphology and functional parameters of the first millimeters of biological tissue. Due to its optical properties, the eye is one of the main areas of application. In recent years, several functional extensions of OCT have emerged, of which one is Doppler OCT. It allows assessing the velocity of scatterers and can be used to quantify retinal perfusion. This work focuses on dual-beam Doppler OCT, an advancement of Doppler OCT that applies two probing beams. The advantage of this method lies in the ability to measure absolute blood flow data. The aim of the thesis was to design new methods for analysis of the acquired dual-beam Doppler OCT data. To this end, a technique was developed, which allows reconstructing the velocity vector field in retinal vessels with diameters even below 100 µm. This helped to gain insights into ow patterns at venous confluences, where the analysis methods that had previously been used were not applicable. Flicker stimulation was applied to investigate neurovascular coupling, which plays an important role for the blood flow control mechanisms in the retina. To examine this phenomenon, measurements at baseline flow conditions and during flicker stimulation of the retina were carried out. This allowed comparing the flows of these different retinal perfusion states. Furthermore, a flow model for the retinal vasculature was developed. The goal of this model was to allow the simulation of the vessel diameter adaptations occurring due to flicker stimulation and to examine their effects on the retinal perfusion. Additionally, the vascular flow model was used to simulate various vascular adaptation patterns and to compare their results to the data obtained in vivo.