Development and clinical applications of a whole anterior segment and retinal SS-OCT

Abstract

(English) Vision is central to human perception. It emanates from a complex organ, the human eye, starting from photodetection in the retina. However, the quality of the visual experience depends on the anatomical integrity and properties of all structures involved in the visual pathway and the dynamic processes associated with it. Since any reduction or loss of vision means a major impairment of our quality of life, many efforts have been made in the development of instruments that can objectively evaluate, diagnose and treat visual conditions and pathologies. One of the techniques that has impacted Ophthalmology the most in the last years is optical coherence tomography (OCT). It permitted to acquire ocular images with an axial resolution of a few microns, which was unprecedented at the time. Since the beginning of OCT, there has been a divide between systems dedicated to imaging of the anterior segment of the eye and the retina, due to technical difficulties associated with the eye anatomy and the technique itself. In this thesis, we dealt with the assessment of these challenges and developed an OCT system can image the whole eye and validated it clinically.This thesis is organized in four parts in line with the defined goals. Part I contains an introduction to state of the art in OCT imaging. The technical challenges to whole-eye systems designs are described in detail and afterwards a literature review about the state of the art in whole-eye OCT imaging is presented.In Part II we describe the design and development of a whole-eye SS-OCT prototype. This part consists in three chapters. The first chapter starts with the requirements of the system and presents the design of the system, including the OCT engine, the optical interfaces and the selection of components. The key novel designs aspects that were developed in this thesis and permitted to achieve these specifications and increase the clinical capabilities of the platform in comparison with previous approaches, are the design of an of an extended-coherence-length SS-OCT engine that included only one single source and one single acquisition module that could satisfy simultaneously all requirements for optimized whole-eye imaging and also the design of a novel dual path dual focus optical design of the sample arm that permitted to optimize the field-of view and the lateral resolution of the retinal interface.The software tools developed for data acquisition and OCT data and image processing were detailed in the second chapter. The third chapter contains a characterization of the final unit. We present an analysis of the ocular safety of the prototype for human imaging and characterize the performance of the system and evaluate if the initial requirements were achieved. Finally, we present the results of in vivo imaging of the whole eye of a group of volunteers. After the design and development phase, the constructed prototype was deployed to the clinical site (Instituto de Microcirugía Ocular, Barcelona) where a clinical study was carried out on patients. Part III is a collection of clinical applications that were explored with the developed prototype. The three chapters of this part are presented in a paper-like format. The first presents the results obtained with the prototype for general ocular screening of pathologies of the anterior segment and retina. The second is a study on the use of whole anterior segment imaging in patients with lenticular opacities. The third is a case series report on the lesions found in a subgroup of the studied patients.Finally, in Part IV, the main conclusions of the thesis are presented. We also present an outlook of the thesis with a proposal of possible improvements of the developed prototype and future lines of research stimulated by this thesis.

(Español) La visión es fundamental para la percepción humana. Emana de un órgano complejo, el ojo humano, a partir de la fotodetección en la retina. Sin embargo, la calidad de la experiencia visual depende de la integridad anatómica y las propiedades de todas las estructuras involucradas en la vía visual y los procesos dinámicos asociados con ella. Dado que cualquier reducción o pérdida de la visión supone un deterioro importante de nuestra calidad de vida, se han realizado muchos esfuerzos en el desarrollo de instrumentos que puedan evaluar, diagnosticar y tratar objetivamente las condiciones y patologías visuales. Una de las técnicas que más ha impactado a la Oftalmología en los últimos años es la tomografía de coherencia óptica (OCT). Permitió adquirir imágenes oculares con una resolución axial de unas pocas micras, lo que no tenía precedentes en ese momento. Desde el comienzo de la OCT, ha habido una división entre los sistemas dedicados a la imagen del segmento anterior del ojo y la retina, debido a las dificultades técnicas asociadas con la anatomía del ojo y la técnica en sí. En esta tesis, nos ocupamos de la evaluación de estos desafíos y desarrollamos un sistema OCT que puede obtener imágenes de todo el ojo y lo validamos clínicamente. Esta tesis está organizada en cuatro partes de acuerdo con los objetivos definidos. La Parte I contiene una introducción al estado del arte en imágenes OCT. Los desafíos técnicos para los diseños de sistemas de ojo completo se describen en detalle y luego se presenta una revisión de la literatura sobre el estado del arte en imágenes OCT de ojo completo. En la Parte II describimos el diseño y desarrollo de un prototipo SS-OCT de ojo completo. Esta parte consta de tres capítulos. El primer capítulo comienza con los requisitos del sistema y presenta el diseño del sistema, incluidos los elementos principales de la OCT, las interfaces ópticas y la selección de componentes. Los aspectos clave de los diseños novedosos que se desarrollaron en esta tesis y permitieron lograr estas especificaciones y aumentar las capacidades clínicas de la plataforma en comparación con enfoques anteriores, son el diseño de un sistema SS-OCT de longitud de coherencia extendida que incluía solo una sola fuente y un solo módulo de adquisición que podría satisfacer simultáneamente todos los requisitos para optimizar la imagen de todo el ojo y también el diseño de un nuevo diseño óptico de enfoque dual de doble camino del brazo de muestra que permitió optimizar el campo de visión y la resolución lateral de la interfaz retinal. Las herramientas de software desarrolladas para la adquisición de datos y el procesamiento de datos e imágenes OCT se detallaron en el segundo capítulo. El tercer capítulo contiene una caracterización de la unidad final. Presentamos un análisis de la seguridad ocular del prototipo para imágenes humanas y caracterizamos el rendimiento del sistema y evaluamos si se lograron los requisitos iniciales. Finalmente, presentamos los resultados de imágenes in vivo de todo el ojo de un grupo de voluntarios. Después de la fase de diseño y desarrollo, el prototipo construido se instaló en el Instituto de Microcirugía Ocular (Barcelona) donde se realizó un estudio clínico en pacientes. La Parte III es una colección de aplicaciones clínicas que se exploraron con el prototipo desarrollado. Los tres capítulos de esta parte se presentan en formato de papel. En el primero se presentan los resultados obtenidos con el prototipo de cribado ocular general de patologías del segmento anterior y retina. El segundo es un estudio sobre el uso de imágenes del segmento anterior completo en pacientes con opacidades lenticulares. El tercero es un informe de serie de casos sobre las lesiones encontradas en un subgrupo de los pacientes estudiados. Finalmente, en la Parte IV, se presentan las principales conclusiones de la tesis. También presentamos un panorama de la tesis con una propuesta de posibles mejoras del prototipo desarrollado.