Spectral domain optical coherence tomography for dynamic quantitative imaging of the anterior and posterior segment of the human eye

Abstract

Die Optische Kohärenztomografie (OCT) ist ein bildgebendes Verfahren, das auf der Interferometrie von Licht geringer Kohärenzlängen basiert und tiefenaufgelöste Schnittbilder von biologischen Geweben darzustellen erlaubt. In der vorliegenden Arbeit wird die OCT-Technologie zum einen für die Bildgebung, zum anderen zur Messung von Position und Dicke von Strukturen des vorderen und hinteren Abschnitts des menschlichen Auges genutzt. Zuerst werden die medizinischen Anwendungen im Kontext erklärt. Danach wird aus physikalischer Sicht näher auf die Licht-Gewebe-Interaktion eingegangen. Es wird anschließend das OCT-Signal modelliert, sowie verschiedene Schätzer für jede Ausbreitungsordnung vorgestellt und auf Leistung analysiert. In der Folge wird die Anwendung diese Schätzer auf in vivo OCT-Messungen am menschlichen Auge erläutert. Es folgt die Beschreibung verschiedener experimenteller Aufbauten zur Durchführung der Messungen. Ergebnisse von in vivo Messungen der okulären Fundus-Pulsation (OFP) bei gesunden Probanden werden anhand eines Hornhaut-referenzierten Spectral Domain OCT-Systems präsentiert. Die Dickenverteilung der wässrigen Schicht des Tränenfilms, gemessen über der Zeit, ermöglicht es das dynamische Verhalten des Tränenfilms nach dem Blinzeln darzustellen. Anschließend wird die hochaufgelöste Visualisierung der Tränenfilmlipidschicht durch einen ultrahochauflösenden OCT-Prototypen beschrieben. Die vorgestellten neuartigen Messmethoden könnten für verschiedene ophthalmologische Fragestellungen neue Erkenntnisse erbringen. Die OFP-Messungen könnten sowohl zur Untersuchung von biomechanischen Eigenschaften des Sehnervenkopfes, z.b. im Falle eines Glaukoms, genützt werden, als auch Aufschluss über den choroidalen Blutfluß geben. Messungen der Lipid- und wässrigen Schicht des Tränenfilms können zur Untersuchung des Syndroms des trockenen Auges wie auch der Wirksamkeit von dessen Behandlungsverfahren dienen.

Optical coherence tomography (OCT) is an imaging technology based on low coherence interferometry that can provide depth-resolved cross-sectional images of tissue. In course of this thesis, OCT technology is used for imaging and to perform measurements of thickness and position in the anterior and posterior segment of the human eye over time. The context of the medical applications is first presented. Then the light-tissue interaction is described from a physical point of view. Afterwards, a model of the OCT signal is derived and estimators of each propagation order are defined and their performance is analyzed. These estimators are applied to in vivo OCT measurements in the human eye. The different experimental setups and instrumentations for acquisition of the OCT data are described. In vivo ocular fundus pulsations (OFP) measurements in healthy subjects, are reported using a cornea-referenced spectral domain OCT system. Tear film thickness maps measured over time that allow for the visualization of tear film dynamics are shown. Afterwards, super-resolved tear film lipid layer visualizations using an ultrahigh-resolution OCT system are presented. These novel measurements could provide new insights for several ophthalmological applications. OFP measurements could be used to study the biomechanical properties of the optic nerve head with applications in both healthy and diseased eyes and as an indicator of choroidal blood flow. Tear film aqueous and lipid layer measurements could be used to study dry eye disease and to test efficacy of dry eye treatments.