Abstract

We report the development of an optical technique for noninvasive imaging of in vivo blood flow dynamics and tissue structures with high spatial resolution (2–10  µm) in biological systems. The technique is based on optical Doppler tomography (ODT), which combines Doppler velocimetry with optical coherence tomography to measure blood flow velocity at discrete spatial locations. The exceptionally high resolution of ODT permits noninvasive in vivo imaging of both blood microcirculation and tissue structures surrounding the vessel, which has significance for biomedical research and clinical applications. Tomographic imaging of in vivo blood flow velocity in the chick chorioallantoic membrane and in rodent skin is demonstrated.

© 1997 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. Y. Yamada, M. Matsumura, S. Kyo, and R. Omoto, Am. J. Cardiol. 75, 161 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. J. V. Chapman, in Noninvasive Evaluation of Hemodynamics in Congenital Heart Disease, J. V. Chapman and G. R. Sutherland, eds. (Kluwer, Dordrecht, The Netherlands, 1990), Chap. 2, pp. 57.
  3. W. J. Manning, W. Li, and R. R. Edelman, N. Engl. J. Med. 328, 828 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. R. F. Bonner and R. Nossal, in Laser-Doppler Blood Flowmetry, A. P. Shepherd and P. A. Oberg, eds. (Kluwer, Dordrecht, The Netherlands, 1990), Chap. 2, pp. 17.
    [CrossRef]
  5. D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 1, 157 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. J. A. Izatt, M. R. Hee, G. M. Owen, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 19, 590 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. Z. Chen, T. E. Milner, D. Dave, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 22, 64 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. X. J. Wang, T. E. Milner, Z. Chen, and J. S. Nelson, Appl. Opt. 36, 144 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. X. J. Wang, T. E. Milner, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 20, 1337 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. P. C. Neligan, Microsurgery 14, 162 (1993).
    [CrossRef]
  14. Z. B. M. Niazi, T. J. H. Essex, R. Papini, D. Scott, N. R. Mclean, and M. J. M. Black, Burns 19, 485 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. M. Korbelik and G. Krosl, Br. J. Cancer 70, 604 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. Z. Chen, T. E. Milner, S. Srinivas, and J. S. Nelson, “Optical Doppler tomography: in vivo blood flow dynamics following pharmacologic intervention and photodynamic therapy,” Photochem. Photobiol. (to be published).

1997 (2)

1996 (1)

A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 1, 157 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

1995 (3)

Y. Yamada, M. Matsumura, S. Kyo, and R. Omoto, Am. J. Cardiol. 75, 161 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

X. J. Wang, T. E. Milner, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 20, 1337 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1994 (3)

S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

J. A. Izatt, M. R. Hee, G. M. Owen, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 19, 590 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

M. Korbelik and G. Krosl, Br. J. Cancer 70, 604 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

1993 (3)

W. J. Manning, W. Li, and R. R. Edelman, N. Engl. J. Med. 328, 828 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

P. C. Neligan, Microsurgery 14, 162 (1993).
[CrossRef]

Z. B. M. Niazi, T. J. H. Essex, R. Papini, D. Scott, N. R. Mclean, and M. J. M. Black, Burns 19, 485 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

1991 (1)

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Berns, M. W.

S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Black, M. J. M.

Z. B. M. Niazi, T. J. H. Essex, R. Papini, D. Scott, N. R. Mclean, and M. J. M. Black, Burns 19, 485 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Bonner, R. F.

R. F. Bonner and R. Nossal, in Laser-Doppler Blood Flowmetry, A. P. Shepherd and P. A. Oberg, eds. (Kluwer, Dordrecht, The Netherlands, 1990), Chap. 2, pp. 17.
[CrossRef]

Bouma, B.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Brezinski, M. E.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Chang, W.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Chapman, J. V.

J. V. Chapman, in Noninvasive Evaluation of Hemodynamics in Congenital Heart Disease, J. V. Chapman and G. R. Sutherland, eds. (Kluwer, Dordrecht, The Netherlands, 1990), Chap. 2, pp. 57.

Chen, Z.

Z. Chen, T. E. Milner, D. Dave, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 22, 64 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

X. J. Wang, T. E. Milner, Z. Chen, and J. S. Nelson, Appl. Opt. 36, 144 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Chen, T. E. Milner, S. Srinivas, and J. S. Nelson, “Optical Doppler tomography: in vivo blood flow dynamics following pharmacologic intervention and photodynamic therapy,” Photochem. Photobiol. (to be published).

Dave, D.

Edelman, R. R.

W. J. Manning, W. Li, and R. R. Edelman, N. Engl. J. Med. 328, 828 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Essex, T. J. H.

Z. B. M. Niazi, T. J. H. Essex, R. Papini, D. Scott, N. R. Mclean, and M. J. M. Black, Burns 19, 485 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Fercher, A. F.

A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 1, 157 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Flotte, T.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Fujimoto, J. G.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

J. A. Izatt, M. R. Hee, G. M. Owen, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 19, 590 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Gregory, K.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Hammer-Wilson, M.

S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Hee, M. R.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

J. A. Izatt, M. R. Hee, G. M. Owen, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 19, 590 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Huang, D.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Izatt, J. A.

Kimel, S.

S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Korbelik, M.

M. Korbelik and G. Krosl, Br. J. Cancer 70, 604 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Krosl, G.

M. Korbelik and G. Krosl, Br. J. Cancer 70, 604 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Kyo, S.

Y. Yamada, M. Matsumura, S. Kyo, and R. Omoto, Am. J. Cardiol. 75, 161 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Li, W.

W. J. Manning, W. Li, and R. R. Edelman, N. Engl. J. Med. 328, 828 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Lin, C. P.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Manning, W. J.

W. J. Manning, W. Li, and R. R. Edelman, N. Engl. J. Med. 328, 828 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Matsumura, M.

Y. Yamada, M. Matsumura, S. Kyo, and R. Omoto, Am. J. Cardiol. 75, 161 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Mclean, N. R.

Z. B. M. Niazi, T. J. H. Essex, R. Papini, D. Scott, N. R. Mclean, and M. J. M. Black, Burns 19, 485 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Milner, T. E.

X. J. Wang, T. E. Milner, Z. Chen, and J. S. Nelson, Appl. Opt. 36, 144 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Chen, T. E. Milner, D. Dave, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 22, 64 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

X. J. Wang, T. E. Milner, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 20, 1337 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Chen, T. E. Milner, S. Srinivas, and J. S. Nelson, “Optical Doppler tomography: in vivo blood flow dynamics following pharmacologic intervention and photodynamic therapy,” Photochem. Photobiol. (to be published).

Neligan, P. C.

P. C. Neligan, Microsurgery 14, 162 (1993).
[CrossRef]

Nelson, J. S.

X. J. Wang, T. E. Milner, Z. Chen, and J. S. Nelson, Appl. Opt. 36, 144 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Chen, T. E. Milner, D. Dave, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 22, 64 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

X. J. Wang, T. E. Milner, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 20, 1337 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Chen, T. E. Milner, S. Srinivas, and J. S. Nelson, “Optical Doppler tomography: in vivo blood flow dynamics following pharmacologic intervention and photodynamic therapy,” Photochem. Photobiol. (to be published).

Niazi, Z. B. M.

Z. B. M. Niazi, T. J. H. Essex, R. Papini, D. Scott, N. R. Mclean, and M. J. M. Black, Burns 19, 485 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Nossal, R.

R. F. Bonner and R. Nossal, in Laser-Doppler Blood Flowmetry, A. P. Shepherd and P. A. Oberg, eds. (Kluwer, Dordrecht, The Netherlands, 1990), Chap. 2, pp. 17.
[CrossRef]

Omoto, R.

Y. Yamada, M. Matsumura, S. Kyo, and R. Omoto, Am. J. Cardiol. 75, 161 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Owen, G. M.

Papini, R.

Z. B. M. Niazi, T. J. H. Essex, R. Papini, D. Scott, N. R. Mclean, and M. J. M. Black, Burns 19, 485 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Poppart, S. A.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Puliafito, C. A.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Schell, M. J.

S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Schuman, J. S.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Scott, D.

Z. B. M. Niazi, T. J. H. Essex, R. Papini, D. Scott, N. R. Mclean, and M. J. M. Black, Burns 19, 485 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Southern, J. F.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Srinivas, S.

Z. Chen, T. E. Milner, S. Srinivas, and J. S. Nelson, “Optical Doppler tomography: in vivo blood flow dynamics following pharmacologic intervention and photodynamic therapy,” Photochem. Photobiol. (to be published).

Stinson, W. G.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Svaasand, L. O.

S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Swanson, E. A.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

J. A. Izatt, M. R. Hee, G. M. Owen, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 19, 590 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Tearney, G. J.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Wang, X. J.

Yamada, Y.

Y. Yamada, M. Matsumura, S. Kyo, and R. Omoto, Am. J. Cardiol. 75, 161 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Am. J. Cardiol. (1)

Y. Yamada, M. Matsumura, S. Kyo, and R. Omoto, Am. J. Cardiol. 75, 161 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Appl. Opt. (1)

Br. J. Cancer (1)

M. Korbelik and G. Krosl, Br. J. Cancer 70, 604 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Burns (1)

Z. B. M. Niazi, T. J. H. Essex, R. Papini, D. Scott, N. R. Mclean, and M. J. M. Black, Burns 19, 485 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

J. Biomed. Opt. (1)

A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 1, 157 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

J. Invest. Dermatol. (1)

S. Kimel, L. O. Svaasand, M. Hammer-Wilson, M. J. Schell, T. E. Milner, J. S. Nelson, and M. W. Berns, J. Invest. Dermatol. 103, 693 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Microsurgery (1)

P. C. Neligan, Microsurgery 14, 162 (1993).
[CrossRef]

N. Engl. J. Med. (1)

W. J. Manning, W. Li, and R. R. Edelman, N. Engl. J. Med. 328, 828 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Nat. Med. (1)

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Poppart, B. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nat. Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Lett. (3)

Science (1)

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Other (3)

Z. Chen, T. E. Milner, S. Srinivas, and J. S. Nelson, “Optical Doppler tomography: in vivo blood flow dynamics following pharmacologic intervention and photodynamic therapy,” Photochem. Photobiol. (to be published).

R. F. Bonner and R. Nossal, in Laser-Doppler Blood Flowmetry, A. P. Shepherd and P. A. Oberg, eds. (Kluwer, Dordrecht, The Netherlands, 1990), Chap. 2, pp. 17.
[CrossRef]

J. V. Chapman, in Noninvasive Evaluation of Hemodynamics in Congenital Heart Disease, J. V. Chapman and G. R. Sutherland, eds. (Kluwer, Dordrecht, The Netherlands, 1990), Chap. 2, pp. 57.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic diagram of the ODT system. Light emitted from the superluminescent diode λ0=850 nm, ΔλFWHM=25 nm is coupled into a single-mode fiber and split into reference and target arms by a 2×2 (50/50) fiber coupler. Stress birefringence is used to match the polarization of reference and sample beams and to optimize fringe contrast. The optical path lengths of light in the reference and the target arms are modulated (1600  Hz) with piezoelectric cylinders electrically driven by a ramp waveform. The target arm is tilted 70–75° with respect to the direction of flow. Optical interference-fringe intensity is measured by a photodetector and digitized with a 16-bit analog–digital converter. Structural and flow-velocity images are calculated from the digitized fringe intensities.

Fig. 2
Fig. 2

ODT images of in vivo blood flow in a CAM vein. A, color-coded structural image. B, color-coded velocity image. C, velocity profile along a horizontal cross section passing through the center of the vein. Open circles, experimental data; solid curve, fit to a parabolic function.

Fig. 3
Fig. 3

ODT images of in vivo blood flow in rodent skin. A, color-coded tomographic structural image. B, color-coded velocity image of venous blood flow (into the page). C, color-coded velocity image of arterial blood flow (out of the page). Structural and velocity images are obtained simultaneously from a single two-dimensional scan.

Fig. 4
Fig. 4

A, en-face structural and B, velocity images of blood flow in a vessel 200 µm below the skin surface.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

fD=12πks-ki·V,

Metrics