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Abstract

Understanding biology across various spatial scales requires appropriate tools that allow the collection and analysis of information about specific events throughout the organism of interest. Imaging techniques are one of the most powerful tools of modern biology enabling direct visualisation of structures and processes with high spatial resolution and often in real time. Especially potent imaging modalities were developed based on light microscopy that allow high resolution imaging in the cellular and subcellular regimes. Unfortunately, these techniques are not suitable for imaging in highly scattering and thick samples such as mammalian tissues. While those can be imaged by biomedical imaging techniques such as MRI or CT, they typically achieve much lower lowered spatial and temporal resolution as well as are incompatible with the large toolkit of molecular probes and approaches used in life sciences (e.g. fluorescent proteins).

Here, emerging technologies based on photoacoustic imaging (where light is used to excite acoustic waves inside the tissue) enable bridging the biomedical and biological techniques by combining light based excitation (that is compatible with the optical toolkit of life sciences) with deep penetration capabilities characteristic for the biomedical regime. Several techniques of photoacoustic imaging were developed with photoacoustic tomography emerging as a particularly interesting modality for large-volume, high-quality imaging in mammalian tissues, due to it's ability to simultaneously record information from the whole volume of interest. In particular, there is a rising interest in developing all-optical photoacoustic approaches which use light both for exciting and detecting the acoustic waves. These bring promise of simplification and miniaturisation of the detector elements which would allow for easier animal handling and enable combination with other light based modalities such as multiphoton microscopy.

The aim of this thesis was to establish a high-performance state-of-the-art all-optical photoacoustic system based on a Fabry-P\'erot pressure sensor that could be used in life sciences for imaging applications in mouse biology. In particular, I explored possible improvements in speed and sensitivity with the long-term goal to enable whole-brain calcium based neuroimaging in mice. In this thesis, I describe my work towards the realization of this system including the detailed discussion of the system design and operating principles. I show preliminary imaging experiments in fish and mice to validate the capabilities of our photoacoustic tomography setup to perform high resolution \textit{in vivo} imaging.

The main part of the thesis is then concerned with the description of various approaches for increasing photoacoustic tomography sensitivity, including the use of adaptive optics for enhanced cavity coupling, passive photodiode amplification as well as deep learning based denoising. Furthermore, a full theoretical framework is presented for explaining the effects of interactions between optical aberrations and Fabry-P\'erot cavity modes, which is then extended to explain fundamental optical processes in adaptive optics. Moreover, two frameworks are described for increasing the volume rate of Fabry-P\'erot based systems including optimising the scanning trajectory as well as using optical multiplexing for parallel readout from the sensor. Finally, further directions of work are discussed including tackling the effects of skull induced acoustic aberrations on the image resolution and the choice of possible candidates for photoacoustic calcium sensors.

Translation of abstract (German)

Das Verständnis der Biologie über verschiedene räumliche Skalen hinweg erfordert geeignete Werkzeuge, mit denen Informationen über bestimmte Ereignisse im gesamten Organismus von Interesse gesammelt und analysiert werden können. Bildgebende Verfahren sind eines der leistungsfähigsten Werkzeuge der modernen Biologie und ermöglichen die direkte Visualisierung von Strukturen und Prozessen mit hoher räumlicher Auflösung und häufig in Echtzeit. Auf der Grundlage der Lichtmikroskopie wurden besonders wirksame Bildgebungsverfahren entwickelt, die die hochauflösende Abbildung im zellulären und subzellulären Bereich ermöglichen. Leider sind diese Techniken nicht für die Bildgebung in stark streuenden und dicken Proben wie Säugetiergeweben geeignet. Diese können zwar durch biomedizinische Bildgebungstechniken wie MRT oder CT abgebildet werden, allerdings erreichen diese Verfahren typischerweise eine viel geringere räumliche und zeitliche Auflösung und sind nicht kompatibel mit dem großen Toolkit molekularer Sonden und Ansätzen, die in den Biowissenschaften verwendet werden (z. B. fluoreszierende Proteine).

Hier ermöglichen neue Technologien, die auf der photoakustischen Bildgebung basieren (bei der Licht zur Anregung von Schallwellen im Gewebe verwendet wird), die Überbrückung der biomedizinischen und biologischen Techniken, indem sie lichtbasierte Anregung (die mit dem optischen Toolkit der Biowissenschaften kompatibel ist) mit hoher Penetrationsfähigkeit wie sie typisch für das biomedizinische Regime ist kombinieren. Es wurden verschiedene Techniken der photoakustischen Bildgebung entwickelt, wobei sich die photoakustische Tomographie als besonders interessante Modalität für die großvolumige, qualitativ hochwertige Bildgebung in Säugetiergeweben herausstellte, da sie gleichzeitig Informationen aus dem gesamten Volumen von Interesse aufzeichnen kann. Insbesondere besteht ein wachsendes Interesse an der Entwicklung rein optischer photoakustischer Ansätze, bei denen Licht sowohl zur Anregung als auch zur Erfassung der Schallwellen verwendet wird. Diese versprechen eine Vereinfachung und Miniaturisierung der Detektorelemente, die eine einfachere Handhabung der Versuchstiere ermöglichen und die Kombination mit anderen lichtbasierten Modalitäten wie der Multiphotonenmikroskopie ermöglichen würden.

Ziel dieser Arbeit war es, ein hochleistungsfähiges rein optisches photoakustisches System auf dem neuesten Stand der Technik zu etablieren, das auf einem Fabry-Pérot-Druck-sensor basiert und in den Biowissenschaften für bildgebende Anwendungen an Mäusen eingesetzt werden kann. Insbesondere untersuchte ich mögliche Verbesserungen der Geschwindigkeit und Empfindlichkeit mit dem langfristigen Ziel, eine auf Kalzium basierende Bildgebung des gesamten Gehirns bei Mäusen zu ermöglichen. In dieser Arbeit beschreibe ich meine Arbeit zur Realisierung dieses Systems einschließlich einer detaillierten Diskussion des Systemdesigns und der Funktionsprinzipien. Ich zeige vorläufige Bildgebungsexperimente an Fischen und Mäusen, um die Fähigkeiten unseres photoakustischen Tomogra-phie-Setups zur Durchführung einer hochauflösenden in vivo Bildgebung zu validieren.

Der Hauptteil der Arbeit befasst sich dann mit der Beschreibung verschiedener Ansätze zur Erhöhung der Empfindlichkeit der photoakustischen Tomographie, einschließlich der Verwendung adaptiver Optiken für eine verbesserte Hohlraumkopplung, passive Photodiodenverstärkung sowie Deep Learning-basiertes Entrauschen. Darüber hinaus wird ein vollständiger theoretischer Rahmen zur Erklärung der Auswirkungen von Wechselwirkungen zwischen optischen Aberrationen und Fabry-Pérot-Hohlraummoden vorgestellt, der dann erweitert wird, um grundlegende optische Prozesse in der adaptiven Optik zu erklären. Darüber hinaus werden zwei Ansätze zur Erhöhung der Volumenrate von Fabry-Pérot-basierten Systemen beschrieben, einschließlich der Optimierung der Abtasttrajektorie sowie der Verwendung von optischem Multiplexing zum parallelen Auslesen vom Sensor. Abschließend werden weitere Arbeitsrichtungen diskutiert, darunter die Untersuchung der Auswirkungen schädelinduzierter akustischer Aberrationen auf die Bildauflösung und die Auswahl möglicher Kandidaten für photoakustische Calciumsensoren.