Defocus Effects on OCTA Signals - A Control Parameter for the Assessment of Retinal Vessel Morphology

Angiographische Bildgebung ist ein essentielles Werkzeug der Augenheilkunde für die Erfassung und Beurteilung der Netzhautgefäße. Die Optische Kohärenztomographie (OCT) Angiographie (OCTA) ist ein Kontrastverfahren, das aus wiederholten OCT-Aufnahmen des selben Ortes Gefäßdarstellungen nicht-invasiv ermittelt. Die nachgelagerte Gefäßquantifizierung ist vielversprechend und wurde vielfach erkundet. Diesem Ansatz folgend wurde in dieser Arbeit die diabetische makuläre Ischämie, eine kaum verstandene Manifestation der diabetischen Retinopathie, studiert. Unterschiede in der Gefäßdichte zwischen Patienten und Kontrollgruppe, der Größe nicht durchbluteter Areale und Zusammenhänge zwischen erhobener Gefäßgeometrie und örtlicher Lichtsensitivität wurden festgestellt. ... mehrDie Präzision der Fokuseinstellung wurde als signifikanter Prädiktor der Ergebnisse der Gefäßquantifizierung ermittelt.
Vielfältige Bildverarbeitungslösungen, Metriken und Anwendungen wurden im Kontext
der OCTA Quantifizierung entwickelt. Die Verwendung diverser Geräte, diverser Programmierungen und diverser Zusammensetzung von Patientengruppen resultiert in einem unübersichtlichen Gesamtbild, das durch den Nachweis eingeschränkter Vergleichbarkeit zwischen Geräten und Gerätemodi weiter verschärft wird. Die übergreifende Argumentationslinie der OCTA Quantifizierung wurde erneut überdacht und um das Konzept des OCTA Parameterraum ergänzt. Defokus wurde als unvollständig kontrollierter Einflussfaktor identifiziert. Defokuseffekte wurden in kontrollierter Umgebung, einem Phantom, studiert. Zunächst wurde die Signalstärke in OCT und OCTA in Defokusbedingungen analysiert. Mikrofluidische Chips mit Kanälen exakt spezifizierter Abmessungen wurden verwendet. Defokuseffekte unterscheiden sich maßgeblich, je nachdem ob ein lateral ausgeprägtes oder abgegrenztes Testobjekt verwendet wird. Der Effekt auf die Geschwindigkeitsantwort der OCTA und die Rolle der verwendeten Scan Linse wurden studiert.
Die in den Phantomstudien erfassten Zusammenhänge erlauben die Fomulierung von Thesen zu äquivalenten Vorgängen in der klinischen Bildgebung. Qualitative, in Defokus verankerte Trends wurden in einer unter Defokus aufgenommenen Bildserie wiedererkannt.
Vorschläge zur Ausbildung einer Qualitätssicherung im Umfeld der Quantifizierung der OCTA wurden diskutiert. Die Methodik der vorliegenden Arbeit erscheint skalierbar zu sein. Auf Grundlage eines umfassenden Wissens zum OCTA Parameterraum werden informierte Entscheidungen bei der Parametrisierung der Gefäßquantifizierung Licht auf die Ursachen der fehlenden Vergleichbarkeit zwischen Geräten sowie der Signalentstehung werfen.

Angiographic imaging for the assessment of the human retinal vasculature is an essential tool in ophthalmology. Optical Coherence Tomography (OCT) Angiography (OCTA) is a contrasting strategy allowing to visualise the retinal vasculature non-invasively based on repeated OCT scans from the same location. Downstream vasculature quantification from OCTA is promising and was therefore extensively explored. Using this approach, diabetic macular ischemia, a poorly understood manifestation of diabetic retinopathy, is studied in this work. Differences in the vasculature density comparing patients and healthy controls, the size of non-perfused areas and relations among vasculature and local retinal sensitivity were assessed. ... mehrThe focus precision was found to be a significant predictor of vasculature quantification results.
Numerous image processing pipelines, metrics and application exploration studies were developed in the context of OCTA quantification. The use of diverse hardware platforms, diverse software implementations and diverse composition of patient groups result in a confusing overall impression, further complicated by the demonstrated limited comparability of quantification metrics among devices and device modes. The overarching rationale in OCTA quantification is revisited and complemented by the concept of the OCTA parameter space. Defocus is identified as one of the influencing factors that deserve additional control. Defocus effects are studied in a well controlled environment, a phantom. First, the influence of defocus on signal strength in OCT and OCTA is characterised. Microfluidic chip phantoms offering channels with well known dimensions were used. The signal strength consequences of defocus are qualitatively different looking at a laterally extended interface in comparison to a laterally limited particle. The effect of defocus on the velocity response in OCTA and the secondary role of the scan lens is studied.
The dependencies found in the phantom studies serve as a foundation to formulate theses for equivalent appearances in clinical imaging studies. Qualitative trends rooted in the presence of defocus are recognised in an image series taken under defocus conditions.
Proposals for a quality control ecosystem around OCTA quantification are discussed. The methodology of this work appears scalable. Allowing for a systematic investigation of the OCTA parameter space, informed decisions on parameter settings in the vasculature quantification pipeline will shed light on the root causes of inter device quantification differences as well as the OCTA signal generation process.