Abstract

Color Doppler optical coherence tomography (CDOCT) is capable of precise velocity mapping in turbid media. Previous CDOCT systems based on the short-time Fourier transform have been limited to maximum flow velocities of the order of tens of millimeters per second. We describe a technique, based on interference signal demodulation at multiple frequencies, to extend the physiological relevance of CDOCT by increasing the dynamic range of measurable velocities to hundreds of millimeters per second. The physiologically important parameter of shear rate is also derived from CDOCT measurements. The measured flow-velocity profiles and shear-rate distributions correlate very well with theoretical predictions. The multiple demodulation technique, therefore, may be useful to monitor blood flow in vivo and to identify regions with high and low shear rates.

© 1999 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, S. Yazdanfar, J. K. Barton, and A. J. Welch, Opt. Lett. 22, 1439 (1997).
    [CrossRef]
  2. Z. Chen, T. E. Milner, D. Dave, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 22, 64 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. Z. Chen, T. E. Milner, S. Srinivas, X. Wang, A. Malekafzali, M. J. C. van Gemert, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 22, 1119 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. S. Yazdanfar, M. D. Kulkarni, and J. A. Izatt, Opt. Exp. 1, 424 (1997), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
    [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. J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
    [CrossRef]
  7. M. D. Kulkarni, T. G. van Leeuwen, S. Yazdanfar, and J. A. Izatt, Opt. Lett. 23, 1057 (1998).
    [CrossRef]
  8. M. H. Friedman, O. J. Deters, C. B. Bargeron, G. J. M. Hutchins, and F. F. Mark, Arteriosclerosis 60, 161 (1986).
    [CrossRef]
  9. R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. B. D. Kuban and M. H. Friedman, J. Biomech. Eng. 117, 219 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. P. J. Brands, A. P. G. Hoeks, L. Hofstra, and R. S. Reneman, Ultrasound Med. Biol. 21, 171 (1995).
    [CrossRef]
  12. J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, H. Wang, K. Kobajashi, and M. V. Sivak, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 1017 (1996).
    [CrossRef]

1998 (1)

1997 (5)

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, S. Yazdanfar, J. K. Barton, and A. J. Welch, Opt. Lett. 22, 1439 (1997).
[CrossRef]

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

Z. Chen, T. E. Milner, S. Srinivas, X. Wang, A. Malekafzali, M. J. C. van Gemert, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 22, 1119 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

S. Yazdanfar, M. D. Kulkarni, and J. A. Izatt, Opt. Exp. 1, 424 (1997), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
[CrossRef]

1996 (1)

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, H. Wang, K. Kobajashi, and M. V. Sivak, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 1017 (1996).
[CrossRef]

1995 (2)

B. D. Kuban and M. H. Friedman, J. Biomech. Eng. 117, 219 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

P. J. Brands, A. P. G. Hoeks, L. Hofstra, and R. S. Reneman, Ultrasound Med. Biol. 21, 171 (1995).
[CrossRef]

1993 (1)

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

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]

1986 (1)

M. H. Friedman, O. J. Deters, C. B. Bargeron, G. J. M. Hutchins, and F. F. Mark, Arteriosclerosis 60, 161 (1986).
[CrossRef]

Bargeron, C. B.

M. H. Friedman, O. J. Deters, C. B. Bargeron, G. J. M. Hutchins, and F. F. Mark, Arteriosclerosis 60, 161 (1986).
[CrossRef]

Barton, J. K.

Brands, P. J.

P. J. Brands, A. P. G. Hoeks, L. Hofstra, and R. S. Reneman, Ultrasound Med. Biol. 21, 171 (1995).
[CrossRef]

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]

Chen, Z.

Dave, D.

de Feyter, P. J.

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Deters, O. J.

M. H. Friedman, O. J. Deters, C. B. Bargeron, G. J. M. Hutchins, and F. F. Mark, Arteriosclerosis 60, 161 (1986).
[CrossRef]

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]

Friedman, M. H.

B. D. Kuban and M. H. Friedman, J. Biomech. Eng. 117, 219 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

M. H. Friedman, O. J. Deters, C. B. Bargeron, G. J. M. Hutchins, and F. F. Mark, Arteriosclerosis 60, 161 (1986).
[CrossRef]

Fujimoto, J. G.

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

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]

Hee, M. R.

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]

Hoeks, A. P. G.

P. J. Brands, A. P. G. Hoeks, L. Hofstra, and R. S. Reneman, Ultrasound Med. Biol. 21, 171 (1995).
[CrossRef]

Hofstra, L.

P. J. Brands, A. P. G. Hoeks, L. Hofstra, and R. S. Reneman, Ultrasound Med. Biol. 21, 171 (1995).
[CrossRef]

Huang, D.

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

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]

Hutchins, G. J. M.

M. H. Friedman, O. J. Deters, C. B. Bargeron, G. J. M. Hutchins, and F. F. Mark, Arteriosclerosis 60, 161 (1986).
[CrossRef]

Izatt, J. A.

M. D. Kulkarni, T. G. van Leeuwen, S. Yazdanfar, and J. A. Izatt, Opt. Lett. 23, 1057 (1998).
[CrossRef]

S. Yazdanfar, M. D. Kulkarni, and J. A. Izatt, Opt. Exp. 1, 424 (1997), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
[CrossRef]

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, S. Yazdanfar, J. K. Barton, and A. J. Welch, Opt. Lett. 22, 1439 (1997).
[CrossRef]

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, H. Wang, K. Kobajashi, and M. V. Sivak, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 1017 (1996).
[CrossRef]

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

Kobajashi, K.

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, H. Wang, K. Kobajashi, and M. V. Sivak, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 1017 (1996).
[CrossRef]

Krams, R.

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Kuban, B. D.

B. D. Kuban and M. H. Friedman, J. Biomech. Eng. 117, 219 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Kulkarni, M. D.

M. D. Kulkarni, T. G. van Leeuwen, S. Yazdanfar, and J. A. Izatt, Opt. Lett. 23, 1057 (1998).
[CrossRef]

S. Yazdanfar, M. D. Kulkarni, and J. A. Izatt, Opt. Exp. 1, 424 (1997), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
[CrossRef]

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, S. Yazdanfar, J. K. Barton, and A. J. Welch, Opt. Lett. 22, 1439 (1997).
[CrossRef]

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, H. Wang, K. Kobajashi, and M. V. Sivak, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 1017 (1996).
[CrossRef]

Lin, C. P.

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

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]

Malekafzali, A.

Mark, F. F.

M. H. Friedman, O. J. Deters, C. B. Bargeron, G. J. M. Hutchins, and F. F. Mark, Arteriosclerosis 60, 161 (1986).
[CrossRef]

Milner, T. E.

Nelson, J. S.

Oomen, J. A. F.

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Puliafito, C.

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

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]

Ree, M. R.

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

Reneman, R. S.

P. J. Brands, A. P. G. Hoeks, L. Hofstra, and R. S. Reneman, Ultrasound Med. Biol. 21, 171 (1995).
[CrossRef]

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]

Schuurbiers, J. C. H.

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Serruys, P. W.

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Shuman, J. S.

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

Sivak, M. V.

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, H. Wang, K. Kobajashi, and M. V. Sivak, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 1017 (1996).
[CrossRef]

Slager, C. J.

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Srinivas, S.

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]

Swanson, E. A.

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

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]

van Gemert, M. J. C.

van Leeuwen, T. G.

Vinke, R.

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Wang, H.

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, H. Wang, K. Kobajashi, and M. V. Sivak, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 1017 (1996).
[CrossRef]

Wang, X.

Welch, A. J.

Wentzel, J. J.

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Yazdanfar, S.

Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. (1)

R. Krams, J. J. Wentzel, J. A. F. Oomen, R. Vinke, J. C. H. Schuurbiers, P. J. de Feyter, P. W. Serruys, and C. J. Slager, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 17, 2061 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Arteriosclerosis (1)

M. H. Friedman, O. J. Deters, C. B. Bargeron, G. J. M. Hutchins, and F. F. Mark, Arteriosclerosis 60, 161 (1986).
[CrossRef]

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. (1)

J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, H. Wang, K. Kobajashi, and M. V. Sivak, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 1017 (1996).
[CrossRef]

J. Biomech. Eng. (1)

B. D. Kuban and M. H. Friedman, J. Biomech. Eng. 117, 219 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Exp. (1)

S. Yazdanfar, M. D. Kulkarni, and J. A. Izatt, Opt. Exp. 1, 424 (1997), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
[CrossRef]

Opt. Lett. (4)

Proc. SPIE (1)

J. A. Izatt, M. R. Ree, D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Shuman, and C. Puliafito, Proc. SPIE 1877, 136 (1993).
[CrossRef]

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]

Ultrasound Med. Biol. (1)

P. J. Brands, A. P. G. Hoeks, L. Hofstra, and R. S. Reneman, Ultrasound Med. Biol. 21, 171 (1995).
[CrossRef]

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 (3)

Fig. 1
Fig. 1

Cross-sectional OCT images of capillary tubes (0.97-mm diameter) filled with 1% Intralipid solution flowing at 4 mL/min. A, Sum of five separate images obtained at demodulation frequencies of 60, 80, 120, 160, and 180 kHz (hardware implementation); B, Image obtained from the undermodulated data. Interferograms were digitized at 1.23 MHz and off-line demodulated (software) at frequencies of 60, 90, 120, 150, and 180 kHz. The frequency shifts are color coded as shown in the intensity scale.

Fig. 2
Fig. 2

Center interferogram of Fig. 1B, demodulated at 70 sequential frequencies (60–200 kHz, 2-kHz intervals). The intensity of the signal (color bar, in decibels) as a function of the velocity shows the expected parabolic flow profile as a function of the depth (y axis). The theoretically expected profile is depicted in red.

Fig. 3
Fig. 3

Shear-rate distributions. A, Symmetric flow profile (as in the data set of Figs. 1A and 2); B, Asymmetric flow profile after an S bend in the capillary. The gray ramps indicate the shear rate in inverse seconds.

Equations (3)

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

i˜dt=Atcos2πfr-fst+φt.
idt=Atexp-j2πfs-fxt+φt,
Vx=fx±B/2c/2 cos θntν0.

Metrics