There have been three basic approaches to optical tomography since the early 1980s: diffraction tomography, diffuse optical tomography and optical coherence tomography (OCT). Optical techniques are of particular importance in the medical field, because these techniques promise to be safe and cheap and, in addition, offer a therapeutic potential. Advances in OCT technology have made it possible to apply OCT in a wide variety of applications but medical applications are still dominating. Specific advantages of OCT are its high depth and transversal resolution, the fact, that its depth resolution is decoupled from transverse resolution, high probing depth in scattering media, contact-free and non-invasive operation, and the possibility to create various function dependent image contrasting methods. This report presents the principles of OCT and the state of important OCT applications.

Ultrahigh-resolution optical coherence tomography (OCT) by use of state of the art broad-bandwidth femtosecond laser technology is demonstrated and applied to in vivo subcellular imaging. Imaging is performed with a Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser with double-chirped mirrors that emits sub-two-cycle pulses with bandwidths of up to 350 nm, centered at 800 nm. Longitudinal resolutions of ~1mum and transverse resolution of 3mum, with a 110-dB dynamic range, are achieved in biological tissue. To overcome depth-of-field limitations we perform zone focusing and image fusion to construct a tomogram with high transverse resolution throughout the image depth. To our knowledge this is the highest longitudinal resolution demonstrated to date for in vivo OCT imaging.

Here we present new technology for optical coherence tomography (OCT) that enables ultrahigh-resolution, non-invasive in vivo ophthalmologic imaging of retinal and corneal morphology with an axial resolution of 2–3 μm. This resolution represents a significant advance in performance over the 10–15-μm resolution currently available in ophthalmic OCT systems and, to our knowledge, is the highest resolution for in vivo ophthalmologic imaging achieved to date. This resolution enables in vivo visualization of intraretinal and intra-corneal architectural morphology that had previously only been possible with histopathology. We demonstrate image processing and segmentation techniques for automatic identification and quantification of retinal morphology. Ultrahigh-resolution OCT promises to enhance early diagnosis and objective measurement for tracking progression of ocular diseases, as well as monitoring the efficacy of therapy. Current clinical practice emphasizes the development of techniques to diagnose disease in its early stages, when treatment is most effective and irreversible damage can be prevented or delayed. In ophthalmology, the precise visualization of pathology is especially critical for the diagnosis and staging of ocular diseases. Therefore, new imaging techniques have been developed to augment conventional fundoscopy and slit-lamp biomicroscopy. Ultrasonography is routinely used in ophthalmology, but requires physical contact with the eye and has axial resolutions of approximately 200 μm (ref. 1). High-frequency ultrasound enables approximately 20 μm axial resolutions, but due to limited penetration, only anterior eye structures can be imaged2. Confocal microscopy has been used to image the cornea with sub-micrometer transverse resolution3. Scanning laser ophthalmoscopy enables en face fundus imaging with micron-scale transverse and approximately 300-μm axial resolution4,5. None of these techniques, however, permits high-resolution, cross-sectional imaging of the retina in vivo. Recently, optical coherence tomography (OCT) has emerged as a promising new technique for high-resolution, cross-sectional imaging6,7. OCT is attractive for ophthalmic imaging because image resolutions are 1–2 orders of magnitude higher than conventional ultrasound, imaging can be performed non-invasively and in real time, and quantitative morphometric information can be obtained. OCT is somewhat analogous to ultrasound imaging except that it uses light instead of sound. High-resolution, cross-sectional images are obtained by measuring the echo time delay of reflected infrared light using a technique known as low coherence interferometry8,9. OCT imaging was first demonstrated in the human retina in vitro6 and in vivo10,11. Recently, it has been extended to a wide range of other non-transparent tissues to function as a type of optical biopsy12–15. To date, however, the most important clinical applications of OCT have been retinal imaging in ophthalmic diagnosis7,16–22. Current ophthalmic OCT systems have 10–15-μm axial resolution and provide more detailed structural information than any other non-invasive ophthalmic imaging technique6,7,10,11. However, the resolution of current clinical ophthalmic OCT technology is significantly below what is theoretically possible. Improving the resolution of OCT ophthalmic imaging would enable structural imaging of retinal pathology at an intraretinal level, as well as improve the accuracy of morphometric quantification. The axial resolution of conventional ophthalmic OCT systems is limited to 10–15 μm by the bandwidth of light sources used for imaging. Short-pulse, solid-state lasers can generate ultrabroad bandwidth, low-coherence light13. A broadband Cr:Forsterite laser operating in the near infrared (1,300 nm) has permitted cellular-level OCT imaging in developmental biology specimens with 6-μm axial resolution13. For ophthalmic imaging, light sources operating at 800 nm are necessary to avoid absorption in the ocular media. Recently, a state-of-the-art broadband Ti:Al2O3 laser has been developed for ultrahigh (~1 μm) axial resolution, spectroscopic OCT imaging in non-transparent tissue at 800-nm center wavelength23,24. We describe here ultrahigh-resolution ophthalmic OCT based on this state-of-the-art optical technology and demonstrate its potential to provide enhanced structural and quantitative information for ophthalmologic imaging.

Spectroscopic optical coherence tomography (OCT), an extension of conventional OCT, is demonstrated for performing cross-sectional tomographic and spectroscopic imaging. Information on the spectral content of backscattered light is obtained by detection and processing of the interferometric OCT signal. This method allows the spectrum of backscattered light to be measured over the entire available optical bandwidth simultaneously in a single measurement. Specific spectral features can be extracted by use of digital signal processing without changing the measurement apparatus. An ultrabroadband femtosecond Ti:Al(2)O(3) laser was used to achieve spectroscopic imaging over the wavelength range from 650 to 1000 nm in a simple model as well as in vivo in the Xenopus laevis (African frog) tadpole. Multidimensional spectroscopic data are displayed by use of a novel hue-saturation false-color mapping.

Optical coherence tomography (OCT) with unprecedented submicrometer axial resolution achieved by use of a photonic crystal fiber in combination with a compact sub-10-fs Ti:sapphire laser (Femtolasers Produktions) is demonstrated for what the authors believe is the first time. The emission spectrum ranges from 550 to 950 nm (λc=725 nm, Pout=27 mW), resulting in a free-space axial OCT resolution of ∼0.75 µm, corresponding to ∼0.5 µm in biological tissue. Submicrometer-resolution OCT is demonstrated in vitro on human colorectal adenocarcinoma cells HT-29. This novel light source has great potential for development of spectroscopic OCT because its spectrum covers the absorption bands of several biological chromophores.

To demonstrate a new generation of ophthalmic optical coherence tomography (OCT) technology with unprecedented axial resolution for enhanced imaging of intraretinal microstructures and to investigate its clinical feasibility to visualize intraretinal morphology of macular pathology.A clinically viable ultrahigh-resolution ophthalmic OCT system was developed and used in clinical imaging for the first time. Fifty-six eyes of 40 selected patients with different macular diseases including macular hole, macular edema, age-related macular degeneration, central serous chorioretinopathy, epiretinal membranes, and detachment of pigment epithelium and sensory retina were included.Ultrahigh-resolution tomograms visualizing intraretinal morphologic features in different retinal diseases.An axial image resolution of approximately 3 micro m was achieved in the eyes examined, nearly 2 orders of magnitude better than conventional ophthalmic ultrasound. Ultrahigh-resolution OCT images provided additional diagnostically important information on intraretinal morphologic features that could not have been obtained by standard techniques.Ultrahigh-resolution ophthalmic OCT enables unprecedented visualization of intraretinal morphologic features and therefore has the potential to contribute to a better understanding of ocular pathogenesis, as well as to enhance the sensitivity and specificity for early ophthalmic diagnosis and to monitor the efficacy of therapy. This study establishes a baseline for the interpretation of ultrahigh-resolution ophthalmic OCT imaging of macular diseases.

Abstract

 PURPOSE: To compare biometry performed by an enhanced version of dual beam partial coherence interferometry and applanation ultrasound in a prospective study of 85 cataract eyes to improve refractive outcome of cataract surgery due to a more accurate calculation of intraocular lens power. METHODS: The SRK II formula using ultrasound biometry data was employed. Three months after surgery, partial coherence interferometry biometry was repeated and refractive outcome was determined. Preoperative partial coherence interferometry biometry data were used to determine the refractive power of the intraocular lenses retrospectively and to calculate the possible refractive outcome. RESULTS: Precision of partial coherence interferometry biometry was more than 10 times better than that of ultrasound. Therefore, the possible mean absolute error for postoperative refraction achieved with partial coherence interferometry biometry was 0.49 diopters (compared with 0.67 diopters with ultrasound biometry), resulting in an improvement of 27%. Axial eye length measured with the two techniques differed by a mean of 460 μm. The difference in lens thickness measured with partial coherence interferometry and ultrasound significantly correlated with cataract grade. A mean shortening of 120 μm of axial eye length following cataract surgery was also detected by partial coherence interferometry. CONCLUSIONS: The enhanced version of partial coherence interferometry offers biometry with unprecedented precision (<10 μm) and resolution (∼12 μm), therefore improving the refractive outcome in cataract surgery. This noninvasive technique provides a high degree of comfort for the patient, with no need for local anesthesia or pupil dilation and minimized risk of corneal infection.

We interfaced color Doppler Fourier domain optical coherence tomography (CD-FDOCT) with a commercial OCT system to perform in vivo studies of human retinal blood flow in real time. FDOCT does not need reference arm scanning and records one full depth and Doppler profile in parallel. The system operates with an equivalent A-scan rate of 25 kHz and allows real time imaging of the color encoded Doppler information together with the tissue morphology at a rate of 2-4 tomograms (40 x 512 pixel) per second. The recording time of a single tomogram (160 x 512 data points) is only 6,4ms. Despite the high detection speed we achieve a system sensitivity of 86dB using a beam power of 500microW at the cornea. The fundus camera allows simultaneous view for selection of the region of interest. We observe bi-directional blood flow and pulsatility of blood velocity in retinal vessels with a Doppler detection bandwidth of 12.5 kHz and a longitudinal velocity sensitivity in tissue of 200microm/s.

Merging of ultrahigh-resolution optical coherence tomography (UHR OCT) and adaptive optics (AO), resulting in high axial (3 µm) and improved transverse resolution (5–10 µm) is demonstrated for the first time to our knowledge in in vivo retinal imaging. A compact (300 mm×300 mm) closed-loop AO system, based on a real-time Hartmann–Shack wave-front sensor operating at 30 Hz and a 37-actuator membrane deformable mirror, is interfaced to an UHR OCT system, based on a commercial OCT instrument, employing a compact Ti:sapphire laser with 130-nm bandwidth. Closed-loop correction of both ocular and system aberrations results in a residual uncorrected wave-front rms of 0.1 µm for a 3.68-mm pupil diameter. When this level of correction is achieved, OCT images are obtained under a static mirror configuration. By use of AO, an improvement of the transverse resolution of two to three times, compared with UHR OCT systems used so far, is obtained. A significant signal-to-noise ratio improvement of up to 9 dB in corrected compared with uncorrected OCT tomograms is also achieved.

We present, for the first time, in vivo ultrahigh resolution (~2.5 microm in tissue), high speed (10000 A-scans/second equivalent acquisition rate sustained over 160 A-scans) retinal imaging obtained with Fourier domain (FD) OCT employing a commercially available, compact (500x260mm), broad bandwidth (120 nm at full-width-at-half-maximum centered at 800 nm) Titanium:sapphire laser (Femtosource Integral OCT, Femtolasers Produktions GmbH). Resolution and sampling requirements, dispersion compensation as well as dynamic range for ultrahigh resolution FD OCT are carefully analyzed. In vivo OCT sensitivity performance achieved by ultrahigh resolution FD OCT was similar to that of ultrahigh resolution time domain OCT, although employing only 2-3 times less optical power (~300 microW). Visualization of intra-retinal layers, especially the inner and outer segment of the photoreceptor layer, obtained by FDOCT was comparable to that, accomplished by ultrahigh resolution time domain OCT, despite an at least 40 times higher data acquisition speed of FD OCT.