title: Optical Coherence Elastography
title: Optische Kohärenzelastographie
Creators: name: Asha, Asha
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: In biomedical science, changes in tissue biomechanical properties serve as the initial bioindicators of disease progression, such as systemic sclerosis. It is an autoimmune disease, which is characterised by fibrosis of the skin. It might increase the risk of life-threatening complications and organ failures such as lung, heart, kidney, gastrointestinal tract and skin cancer. The exact cause of the development of systemic sclerosis is still unknown but involves an interplay between external environmental events such as virus infection, and genetic factors. According to a study, women are more likely than men to develop systemic sclerosis, usually in their fifth decade of life. Diagnosing this disease in an early stage is very important. Early detection and accurate measurement can help reduce the risk of certain complications and rapid disease progression. Assessment of the mechanical properties of the tissue plays a significant role in diagnosing the disease at an earlier stage because these are associated with the biological functionality of the tissue against pathological conditions. Optical coherence elastography (OCE) is a newly emerging technique which can provide qualitative and quantitative measurement of the mechanical properties of the tissue with greater precision. In this thesis, I used a series of experimental approaches to assess tissue mechanical properties to understand the nature, properties, and capabilities of surface acoustics waves for the elastography of tissues using a wave-based OCE method. Wave-based OCE has become a promising and most studied method among all OCE techniques. This approach uses mechanical waves for non-destructive and quantitative measurements of the elastic properties of soft tissue. OCE is fundamentally based on the principles of Optical Coherence Tomography (OCT ) technique and has the ability to measure tissue motion (displacement) with sub-nanometer accuracy by using phase sensitive OCT method. OCT generates both structural images based on tissue light scattering, and time-sequenced displacement images, revealing detailed tissue movement and elasticity. The current systems are restricted to lab setups with limited clinical use of this technique. To enable clinical applications of OCE, I developed a portable swept-source OCE (SS-OCE) system to measure skin elastic properties at different locations using a phase-stable fibre-based common-path OCT probe. This approach significantly reduces phase noise in the system, improving its performance compared to traditional non-common path systems. The results evaluated the system effectiveness by assessing the mechanical properties of agar-based tissue phantoms and human hand skin. Later, I recognised the need for a higher phase stability measurement system and also a method which is more suitable for calculating the deeper layer elastic properties of the skin. For this purpose, I developed another portable system based on the spectral domain OCE (SD-OCE) using the same common path OCT probe used in the previous system. Here, I performed three different wave excitation methods such as pulse wave, sine wave and resonant frequency. From the results, I concluded that the pulsed wave excitation method is more suitable for assessing the elastic properties of the skin's deeper layer than the other two methods. After evaluating this method, there was another challenge: tissue bulk movement due to some external and internal conditions of the tissue. Then, I worked on how I could minimise the bulk tissue movement. For that, I modified the SD-OCE system common path to a non-common path, where I divided a single OCT beam into two beams. Using a dual-OCT beam method is a novel approach in OCE, where both beams are focused simultaneously to reduce common noise from both points caused by bulk tissue movement. This approach allowed me to measure skin elasticity at different locations (palm and wrist) with minimal effect from tissue bulk motion. This approach can be readily adapted for clinical applications. In my thesis, I also analysed the structural images of the tissue with the OCT method, where I minimised polarization-dependent artefacts induced by reflected and scattered light from the tissue. In this work, the newly developed analysis methods can improve our knowledge in this field, leading to new diagnostic and treatment approaches previously missed in clinical practice.
description: In der biomedizinischen Wissenschaft dienen Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften von Geweben als erste Bioindikatoren für das Fortschreiten von Krankheiten wie der systemischen Sklerose. Dabei handelt es sich um eine Autoimmunerkrankung, die durch eine Fibrose der Haut gekennzeichnet ist. Sie kann das Risiko für lebensbedrohliche Komplikationen und Organversagen wie Lungen-, Herz-, Nieren-, Magen-Darm-Trakt- und Hautkrebs erhöhen. Die genaue Ursache für die Entstehung der systemischen Sklerose ist noch nicht bekannt, es handelt sich jedoch um ein Zusammenspiel zwischen äußeren Umwelteinflüssen wie einer Virusinfektion und genetischen Faktoren. Einer Studie zufolge erkranken Frauen häufiger als Männer an systemischer Sklerose, in der Regel in ihrem fünften Lebensjahrzehnt. Es ist sehr wichtig diese Krankheit in einem frühen Stadium zu diagnostizieren. Eine frühzeitige Erkennung und genaue Messung kann dazu beitragen, das Risiko bestimmter Komplikationen und eines schnellen Fortschreitens der Krankheit zu verringern. Die Bewertung der mechanischen Eigenschaften des Gewebes spielt hierbei eine fundamentale Rolle bei der Diagnose der Krankheit in einem früheren Stadium, da diese mit der biologischen Funktionalität des Gewebes gegenüber pathologischen Bedingungen zusammenhängen. Die optische Kohärenzelastographie (OCE) ist ein neu aufkommendes Verfahren mit dem sich die mechanischen Eigenschaften des Gewebes qualitativ und quantitativ mit größerer Präzision messen lassen. In dieser Arbeit habe ich eine Reihe von experimentellen Ansätzen für die Quantifizierung verschiedener mechanischer Eigenschaften von Gewebe verwendet, um deren charakteristische Materialeigenschaften zu verstehen und die Möglichkeiten von Oberflächenakustikwellen für die Elastographie dieser Geweben mit Hilfe einer wellenbasierten OCE-Methode zu erproben. Die wellenbasierte OCE ist eine vielversprechende und am meisten untersuchte Methode unter allen OCE-Techniken geworden. Bei diesem Ansatz werden mechanische Wellen für zerstörungsfreie und quantitative Messungen der elastischen Eigenschaften von weichen Geweben verwendet. OCE basiert auf den Prinzipien der OCT und ist in der Lage, Gewebebewegungen (Verschiebungen) mit Sub-Nanometer-Genauigkeit zu messen, indem es eine phasensensitive OCT-Methode verwendet. Diese Technik erzeugt sowohl strukturelle Bilder auf der Grundlage der Lichtstreuung des Gewebes als auch zeitlich aufeinanderfolgende Verschiebungsbilder, die detaillierte Gewebebewegungen und Elastizität erkennen lassen. Die derzeitigen Systeme sind auf Laboreinrichtungen beschränkt und der klinische Einsatz dieser Technik ist noch begrenzt. Um die klinische Anwendung von OCE zu ermöglichen, habe ich ein tragbares Swept-Source-OCE-System (SS-OCE) entwickelt mit dem die elastischen Eigenschaften der Haut an verschiedenen Stellen mit einer phasenstabilen, faserbasierten OCT-Sonde gemessen werden können. Durch diesen Ansatz wird das unerwünschte Phasenrauschen im System erheblich reduziert, was die Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen ohne geteilten Lichtweg verbessert. Die Ergebnisse bewerteten die Wirksamkeit des Systems, indem sie die mechanischen Eigenschaften von agarbasierten Gewebephantomen und menschlicher Handhaut untersuchten. Später erkannte ich den Bedarf an einem Messsystem mit höherer Phasenstabilität und an einer Methode, die sich besser für die Berechnung der elastischen Eigenschaften der tieferen Schichten der Haut eignet. Zu diesem Zweck habe ich ein weiteres tragbares System entwickelt, das auf dem Spectral Domain OCE (SD-OCE) basiert und dieselbe Common Path OCT-Sonde wie das vorherige System verwendet. Hier führte ich drei verschiedene Wellenanregungsmethoden durch: Pulswelle, Sinuswelle und Resonanzfrequenz. Aus den Ergebnissen schloß ich, dass die Methode der gepulsten Wellenanregung für die Bewertung der elastischen Eigenschaften der tieferen Hautschicht besser geeignet ist als die beiden anderen Methoden. Nach der Bewertung dieser Methode gab es eine weitere Herausforderung: die Bewegung des Gewebes aufgrund einiger äußerer und innerer Bedingungen des Gewebes. Diese Eigenschaft erforderte eine Strategie zur effektiven Immobiliserung und Bewegungsreduktion des Gewebes. Dazu habe ich den gemeinsamen Lichtweg des SD-OCE-Systems in einen Lichtweg umgewandelt, bei dem ich einen einzelnen OCT-Strahl in zwei Strahlen geteilt habe. Die Verwendung eines Dual-OCT-Strahls ist ein neuer Ansatz in der OCE, bei dem beide Strahlen gleichzeitig fokussiert werden, um das gemeinsame Rauschen von beiden Punkten zu reduzieren, das durch die Bewegung des Gewebes verursacht wird. Mit diesem Ansatz konnte ich die Hautelastizität an verschiedenen Stellen (Handfläche und Handgelenk) mit minimalen Auswirkungen der Gewebebewegung messen. Dieser Ansatz kann ohne Weiteres für klinische Anwendungen angepasst werden. In meiner Doktorarbeit habe ich auch die Strukturbilder des Gewebes mit der OCT-Methode analysiert, wobei ich polarisationsabhängige Artefakte, die durch reflektiertes und gestreutes Licht vom Gewebe verursacht werden, minimiert habe. Die in dieser Arbeit neu entwickelten Analysemethoden verbessern unser Wissen auf diesem Gebiet und ermöglichen neuen Diagnose- und Behandlungsansätze, die bisher in der klinischen Praxis nicht genutzt wurden.