Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4088
Main Title: Non-invasive depth recovery for in vivo optical imaging
Translated Title: Nicht-invasive, tiefenaufgelöste optische in vivo Bildgebung
Author(s): Piper, Sophie Käthe
Advisor(s): Müller, Klaus-Robert
Steinbrink, Jens
Referee(s): Müller, Klaus-Robert
Obrig, Hellmuth
Steinbrink, Jens
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Mediziner und biomedizinische Forscher, die sich mit dem Nachweis und Verlauf von Krankheiten oder der Überwachung einer therapeutischen Intervention beschäftigen, wünschen sich nach Möglichkeit ein wiederholt anwendbares Verfahren, um physiologische und pathologische Prozesse im lebenden Objekt nicht-invasiv, also ohne Schädigung, sichtbar machen zu können. Mit der Verwendung von Licht erfüllen mikroskopische Techniken diesen Wunsch bereits, solange es sich um die Abbildung von μm-dünnen Gewebeschichten handelt. Liegt der für die Untersuchung interessante Bereich in mehr als 1 mm Tiefe, so werden Streuung und Absorption von Licht im Gewebe zu großen Hindernissen. Meine Forschung hatte zum Ziel, nicht-invasiv Informationen aus mehren Millimetern bis Zentimetern Gewebetiefe zu gewinnen und zu visualisieren, um somit die optische in vivo Bildgebung zu verbessern. Im Zuge dieser Arbeit wurden drei physikalische Ansätze untersucht, um dieses Ziel zu erreichen: (i) die Verwendung mehrerer Anregungswellenlängen mit unterschiedlichen Eindringtiefen, (ii) die Nutzung zeitaufgelöster Messsysteme, die es durch die Detektion der Flugzeit der Lichtteilchen im Gewebe erlauben, die Tiefe der Fluoreszenzquelle zu bestimmen, sowie (iii) die optische Tomographie, die durch die Verwendung von mehreren Beleuchtungs- und Detektionswinkeln eine dreidimensionale Bildrekonstruktion ermöglicht. Mit dem ersten Ansatz verschiedener Anregungswellenlängen (i) wurde ein Surface-Stripping-Algorithmus entwickelt, der die Visualisierung von 4-8 mm tief im Gewebe liegenden, fokalen Fluoreszenzquellen ermöglicht, die der herkömmlichen Fluoreszenz- Reflexions-Bildgebung entgehen würden. Das Verfahren wurde durch Computersimulationen, Phantomexperimente sowie in vivo Messungen verifiziert. Dabei gelang es, das Infarktareal im lebenden Kleintier-Schlaganfall-Modell nicht-invasiv, durch die intakte Schädeldecke und Kopfhaut, sichtbar zu machen, obwohl dieses durch das Fluoreszenzsignal der darüber liegenden gut durchbluteten Hirnhaut überdeckt wurde. Während mit dem ersten Ansatz zwar tiefengewichtete Bilder erzeugt werden können, ist die absolute Quantifizierung der Objekttiefe damit nicht möglich. Erfasst man hingegen die Flugzeit der Fluoreszenz-Photonen im Gewebe mit spezialisierter, schneller Elektronik (ii), so lässt sich daraus die Tiefe des fluoreszierenden Objektes explizit bestimmen. Anhand von Computersimulationen konnte abgeleitet werden, dass sich innerhalb der Abmessungen eines Kleintiers die Tiefe der Fluoreszenzquelle mit einer Genauigkeit von ± 2 mm bestimmen lässt. Zusätzlich bestätigten Simulationen, dass die Abschätzung der Tiefe auch in Gegenwart von unspezifischer Hintergrundfluoreszenz möglich ist, welche in der in vivo Bildgebung meist eine unvermeidliche Störquelle darstellt. Mit dem dritten Ansatz (iii) kann nicht nur die Tiefe, sondern eine komplette dreidimensionale Darstellung vom Gewebeinneren erreicht werden. Dies wurde in einer klinischen Pilotstudie zur dynamischen, kontrastverstärkten optischen Mammographie bei 22 Patienten durchgeführt. Die rekonstruierten Volumen-Zeitreihen wurden verwendet, um perfusionsbasierte Kenngrößen für den Nachweis und die Charakterisierung von suspekten Raumforderungen in der Brust abzuleiten. Dies gelang mit hoher Sensitivität (85,7%) und Spezifität (87,5%). Hier liefert die nicht-invasive optische Mammographie wichtige funktionelle Informationen über das Brustgewebe, die mit herkömmlicher Röntgenmammographie nicht gewonnen werden können. Alle drei physikalischen Ansätze erlauben die nicht-invasive Ableitung von Informationen aus der Tiefe des Gewebes. Durch diese Arbeit konnte die optische in vivo Bildgebung für mehrere klinische Forschungsbereiche verbessert werden.
Clinicians as well as biomedical researchers, who care for the detection of disease progression or the monitoring of responses to therapeutic intervention over time, desire a non-invasive, longitudinal visualization method for physiological and pathophysiological processes inside the living object. Optical microscopic techniques including fluorescence imaging, which use safe (non-ionizing) light, already fulfil this desire when imaging tissue slices of a few µm thickness in vitro or invasively in vivo. However, when translated to non-invasive measurements in humans or animals, scattering and absorption of light in tissue have been major obstacles when the region of interest is more than 1 mm in depth. My research aimed to improve in vivo optical imaging to allow for recovering and visualizing information of tissue in several mm to cm depth. Three physical principles have been investigated to achieve this aim, making use of (i) multiple excitation wavelengths with different penetration depths, (ii) time-resolved measurements that principally allow for depth ranging by measuring the time of flight of photons in tissue, and (iii) optical tomography which incorporates multiple source and detector sites to yield a three-dimensional image reconstruction. With the first approach (i) of multiple excitation wavelengths, a surface-stripping algorithm was developed enabling the visualisation of focal targets located 4-8 mm deep inside tissue which would have escaped conventional fluorescence reflectance imaging. The method was verified by computer simulations, corresponding phantom experiments as well as in vivo measurements. The area of infarction within the living small animal model of stroke was detectable even when fluorescence from the overlying well-perfused intact scalp and skull outweighed the signal of interest. While approach (i) derives depth-weighted images by reducing the non-target signal from superficial layers, absolute quantification of the target’s depth is not possible. However, when detecting the time of flight which fluorescence photons have travelled through tissue with specialised fast electronics (ii), the depth of a focal fluorescent target in planar in vivo small animal imaging can be determined explicitly. Computer simulations showed that within the dimensions of a small animal the depth of a fluorescence object can be recovered with an accuracy of ± 2 mm. Moreover, the results suggest that depth ranging is also feasible in the presence of unspecific background fluorescence which cannot be neglected in in vivo imaging. With the third approach (iii) not only depth but complete tomographic images were obtained in a clinical pilot study on dynamic contrast-enhanced optical mammography in 22 patients. The reconstructed volume time series were used to derive perfusion related parameters for the detection and characterization of breast occupying lesions in the depth of tissue with high sensitivity (85.7%) and specificity (87.5%). In breast cancer research, non-invasive optical mammography delivers important functional information of the breast tissue, which cannot be accessed by conventional X-ray mammography. All three physical principles enabled non-invasive imaging in the depth of tissue thereby readying in vivo optical imaging for multiple clinical and research roles.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-53473
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4385
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4088
Exam Date: 2-Jun-2014
Issue Date: 28-Aug-2014
Date Available: 28-Aug-2014
DDC Class: 530 Physik
610 Medizin und Gesundheit
Subject(s): Computer-gestützte Diagnose
Fluoreszenzbildgebung
Nicht-invasive Tiefenbestimmung
Optische Bildgebung
Optische Mammographie
Computer-aided diagnosis
Fluorescence imaging
Non-invasive depth recovery
Optical imaging
Optical mammography
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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