研究背景
光學(xué)相干斷層掃描(oct)已成為一種具有廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像的方式，特別是在眼科。眼睛是人體最容易光學(xué)接觸的器官，允許oct用于測量視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，對于診斷和監(jiān)測諸如年齡相關(guān)性黃斑變性、糖尿病性視網(wǎng)膜病和青光眼等疾病的進(jìn)展是意義重大的。
最近，我們報(bào)道了一種基于透鏡的sao-oct視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒有采用hs-wfs測量波前像差, 而是采用波前無傳感器自適應(yīng)光學(xué)(sao)優(yōu)化來驅(qū)動基于圖像質(zhì)量度量的波前校正元素的形狀.具有滿足臨床視網(wǎng)膜成像需求的潛力。利用兩個獨(dú)立的變形透鏡組件，一個可變焦距透鏡和一個多驅(qū)動器自適應(yīng)透鏡來校正高達(dá)四徑向澤尼克多項(xiàng)式的像差。sao算法與透射可變形透鏡的一個主要優(yōu)點(diǎn)是，在占地面積小的光學(xué)裝置中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以與典型的基于透鏡的oct系統(tǒng)兼容。然而，可變形元件的行程和沉降時(shí)間限制了像差校正的性能和速度。
由于可靠的像差校正性能和速度是臨床成像研究的關(guān)鍵要素，研究人員開發(fā)了新一代具有高沖程和高速變形鏡的sao-oct。根據(jù)制造商提供的規(guī)格，它具有69個執(zhí)行器、60個微米沖程和800μs建立時(shí)間，非線性誤差小于3%。利用光的偏振特性，該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成適合尺寸(12英寸:× 12英寸:)，而不影響成像性能。此外，通過使用可變焦的準(zhǔn)直器，輸送到瞳孔的成像光束的直徑可以在不改變光學(xué)布局的情況下從1.7 mm調(diào)整到5.0 mm。這種可調(diào)節(jié)瞳孔大小的能力允許選擇使用該系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)光學(xué)相干斷層掃描成像(橫向分辨率低的長成像深度)或高分辨率光學(xué)相干斷層掃描成像(橫向分辨率高的短成像深度)。通過采用多重b掃描(bm掃描)協(xié)議，也可以進(jìn)行血管特異性對比成像。由于雙重模式，兩種不同的oct- a成像模式可以使用相同的系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行和比較，一種是傳統(tǒng)oct，另一種是sao-oct。在本文中，我們證明了多尺度sao-oct用于在體人視網(wǎng)膜成像的好處。
sao-oct-a系統(tǒng)
本研究中使用的sao-oct-a系統(tǒng)的總體示意圖如圖1(a)所示；它是之前報(bào)道的sao-oct系統(tǒng)的改進(jìn)版本。在該系統(tǒng)中，采用了基于memsbased的掃頻源，其掃頻速率為200 khz(axsun technologyinc .)，占空比為78%，中心波長為1.06微米，光譜范圍為∞110nm。系統(tǒng)原理圖中有兩個干涉儀:相位穩(wěn)定單元(綠色光纖耦合器)和sao-oct干涉儀(藍(lán)色光纖耦合器)。相位穩(wěn)定是一個基于光纖的邁克爾遜干涉儀，它產(chǎn)生一個被稱為校準(zhǔn)信號的固定干涉信號，使用相同的光學(xué)元件將色散失配降至zuidi。在樣品臂[如圖1(b)所示]中，來自可變焦準(zhǔn)直器的探測光束將光導(dǎo)向偏振分束器，當(dāng)s偏振光被反射時(shí)，p偏振光束穿過偏振分束器。這里，注意到只有p偏振被用于光學(xué)相干斷層掃描成像。通過調(diào)整準(zhǔn)直器前的偏振控制器，控制兩個正交偏振態(tài)的光功率，使p偏振態(tài)的光zuidahua。通過pbs后，使用取向?yàn)?5°的消色差零級四分之一波片(qwp)將p偏振的偏振面旋轉(zhuǎn)90°，由可變形反射鏡(dm；dm-69，alpao，法國)，并反向通過了qwp。該90°偏振面旋轉(zhuǎn)光束(s偏振光束)被pbs反射，并被導(dǎo)向樣品臂中的其余光學(xué)器件。光學(xué)相干斷層掃描和校準(zhǔn)信號由相同的平衡光電探測器(新港公司1817型)檢測，并由ats9350模數(shù)轉(zhuǎn)換器(加拿大alazartech)以500 mhz的采樣率進(jìn)行數(shù)字化。為了獲得相位分辨的光學(xué)相干斷層掃描信號，由光源波長掃描和數(shù)字化之間的同步波動引起的光譜偏移通過來自后續(xù)a掃描的校準(zhǔn)信號的互相關(guān)來估計(jì)，并通過基于估計(jì)結(jié)果對光譜進(jìn)行重采樣來校正。在光譜采樣參數(shù)和平均探測功率為900 μw的情況下，深度由6 db寬度定義的分辨率在空氣中測量為11微米[對應(yīng)于組織中8.0微米的分辨率(n為1.38)]，并且在0.3至2.5 mm的深度范圍內(nèi)測量的1.05 db∕mm的信號滾降下確定靈敏度為99.1 db。有兩種不同的成像na設(shè)置:低na和高na，在角膜處分別具有1.7和5.0mm的光束直徑。假設(shè)是22.2毫米眼睛的焦距和折射率為1.33對于1.06微米的水，橫向分辨率估計(jì)為10.6和3.6微米，低和高nas分別由δxoct 0.51 λ∕na.14定義。
圖1 (a) sao-oct系統(tǒng)和(b) sao-oct樣品臂原理圖。l，鏡頭；m，鏡像；光纖準(zhǔn)直器；pc，偏振控制器；bpd，平衡光電探測器；色散補(bǔ)償塊；pbs，偏振分束器；qwp，四分之一波片；zc，可變焦準(zhǔn)直器；檢流計(jì)掃描儀。
研究結(jié)果
圖4顯示了在(a)低na (1.7 mm)和(b)高na (5.0 mm)設(shè)置下獲得的具有代表性的b掃描圖像。對于兩張b掃描圖像，焦點(diǎn)都設(shè)置在感光層。圖中右側(cè)的線圖為b掃描方向平均的強(qiáng)度圖;在圖4(a)的黃色虛線框內(nèi)，以及在圖4的整個b掃描。從平均強(qiáng)度分布圖的比較圖4(a)和圖4(b)中，在圖4(b)聚焦處的光感受器層觀察到一個更明顯的峰。圖5顯示了該系統(tǒng)在低na、高na和sao優(yōu)化后的視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層(rnfl)的代表性結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在低na環(huán)境下，很難識別單個的神經(jīng)纖維束。高na設(shè)置后，中度造影可觀察到神經(jīng)纖維束。
圖4 圖4 (a)未進(jìn)行sao優(yōu)化的1.7 mm束徑標(biāo)準(zhǔn)(低na) oct和(b) sao優(yōu)化的5.0 mm束徑入射角膜的高na oct的b掃描圖像。受試者3(31歲健康女性)右眼圖像。
圖5在(a)低na、(b)高na和(c)高na和sao下獲得的rfnl的正面圖像優(yōu)化。從受試者4 (23歲健康女性)左眼獲得的圖像。
在用sao算法校正像差后，各個束以高對比度清晰地可視化。多尺度成像性能的代表性結(jié)果如圖6所示。圖6(a)和圖6(b)顯示了從光感受器層中提取的15°× 15°fov和6°× 6°fov的人臉oct圖像，這些圖像是在低na設(shè)置下未經(jīng)sao優(yōu)化獲得的。從人臉圖像中，可以觀察到一般的形態(tài)特征，如厚的視網(wǎng)膜血管和視神經(jīng)頭。在圖6(b)的某些位置，感光鑲嵌體清晰的圓形圖案不能清晰地顯現(xiàn)出來，而是主要觀察到隨機(jī)散斑圖案。相比之下，圖6(c)和圖6(d)顯示了5.0 mm直徑光束入射到角膜后獲得的分辨光感受器錐鑲嵌圖像，對應(yīng)于圖6中的(c)紅色、(d)綠色和(e)藍(lán)色方框。經(jīng)過sao優(yōu)化處理后，在3deg × 3 deg fov圖像中，感光鑲嵌體得到了清晰的分辨。
圖6 代表性多尺度感光體成像。(a)15°×15° fov標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)相干斷層掃描，無偏振態(tài)優(yōu)化，(b)6°×6° fov標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)相干斷層掃描，無偏振態(tài)優(yōu)化，(c–e)3°×3° fov高分辨率光學(xué)相干斷層掃描，在不同位置進(jìn)行了光學(xué)相干斷層掃描優(yōu)化，標(biāo)記為(a)中的(c)紅色、(d)綠色和(e)藍(lán)色方框。(b)圖像是在4.5°到10.5°的偏心率下采集的來自zhongyang凹。從受試者1 (21歲健康男性)的左眼獲取的圖像。
通過計(jì)算體積數(shù)據(jù)中每組三次bm掃描的oct信號方差，也可以從圖6所示的同一受試者數(shù)據(jù)集中提取出脈管系統(tǒng)的特定對比度，如圖7所示。在低na(束徑1.7 mm)的血管造影圖像中，可以在圖7(a)中看到視網(wǎng)膜的整體血管形態(tài)，而在6 deg × 6 deg fov oct-a放大圖像中也不能清楚地看到外網(wǎng)狀層毛細(xì)血管(opl)[圖7(b)]。另一方面，在使用5.0 mm光束iameter高分辨率成像模式獲得的圖像中，即使將焦點(diǎn)設(shè)置在視網(wǎng)膜外，也能更清楚地觀察到毛細(xì)血管[圖3]。7 (c) 7 (e)]。
圖7 來自圖6所示同一對象的代表性多尺度oct-a成像集。(a)15°×15° fov視網(wǎng)膜血管成像和(b)6°×6° fov毛細(xì)血管成像1.7毫米的光束入射到角膜上。毛細(xì)管的放大高分辨率圖像用入射到角膜上的5.0毫米光束在不同位置以3°×3° fov獲得如(a)中的(c)紅、(d)綠和(e)藍(lán)框所示。從左眼獲取的圖像受試者1 (21歲健康男性)。
在所有受試者的成像中，sao像差校正至視網(wǎng)膜偏心至2.5度后，錐體感光鑲嵌體得以解決。我們注意到，光感受器并沒有嚴(yán)格要求ao可視化，特別是在大視網(wǎng)膜偏心和年輕健康受試者。在靠近zhongyang凹的地方，特別是在臨床人群中，ao對于獲得足夠小的聚焦點(diǎn)來顯示鑲嵌體模式至關(guān)重要。在這個報(bào)告中，我們使用了一個相對較長的波長成像(1.06 μm)和5.0 mm光束具有掃描源oct提供的較長的圖像深度和掃描速率，并在臨床人群中常見的潛在混濁角膜和rengongjingzhuangti中獲得更好的透射。圖8為高na成像模式在靠近zhonghyang凹處拍攝的具有代表性的多尺度功能oct圖像。從15 deg × 15 deg fov圖像[圖8(a)]，可以觀察到一般的形態(tài)特征和血管模式。
圖8 用sao優(yōu)化過程進(jìn)行像差校正后，5.0mm光束直徑的多尺度oct和oct-a成像結(jié)果。頂行和底行圖像是正面光學(xué)相干斷層掃描和背面光學(xué)相干斷層掃描圖像。(a)15°×15° fov感光器和視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)圖像。和(c)分別為6°×6° fov和3°×3° fov感光器和opl毛細(xì)管圖像。從受試者2 (25歲健康女性)左眼獲得的圖像。
通過計(jì)算體積數(shù)據(jù)內(nèi)每組三次bm掃描的oct信號方差，也可以從圖6所示的同一受試者數(shù)據(jù)集中提取脈管系統(tǒng)特異性對比度，如圖7所示。從具有低na (1.7 mm光束直徑)的血管造影圖像中，可以在圖7(a)中觀察到整個視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)模式，而外叢狀層(opl)中的毛細(xì)血管即使在放大的6°×6° fov oct-a圖像中也不能清晰地可視化[圖7(b)]。另一方面，在用5.0毫米光束直徑高分辨率成像模式采集的圖像中，毛細(xì)血管被更清晰地觀察到，即使焦點(diǎn)被設(shè)置在外視網(wǎng)膜處[圖7(c)–7(e)]。
在所有被成像的受試者中，在將sao像差校正到視網(wǎng)膜偏心度為2.5°后，錐體感光細(xì)胞鑲嵌得到解決。我們注意到，對光感受器進(jìn)行可視化并不嚴(yán)格要求ao，尤其是在大的視網(wǎng)膜偏心率和年輕健康受試者的情況下。靠近視網(wǎng)膜zhongyang凹，尤其是在臨床人群中，ao對于獲得足夠小的焦斑以顯示鑲嵌圖案至關(guān)重要。在本報(bào)告中，我們使用了相對較長的波長成像(1.06微米)和5.0毫米光束，具有掃描源光學(xué)相干斷層掃描提供的長圖像深度和掃描速率，以及通過臨床人群中常見的潛在混濁角膜和rrengongjingzhuangti的更好透射。圖8顯示了在高鈉成像模式下在視網(wǎng)膜zhongyang凹附近拍攝的代表性多尺度功能性光學(xué)相干斷層掃描圖像。從15°×15°的fov圖像[圖8(a)]，可以觀察到一般的形態(tài)特征和血管模式。
有趣的是，即使在6°×6° fov圖像中欠采樣的情況下，我們?nèi)匀豢梢源笾驴吹礁泄怏w和薄毛細(xì)管的圓形形狀[圖8(b)]。在3°×3° fov圖像內(nèi)[圖8(c)]，觀察到分辨率良好的感光體和更清晰的毛細(xì)血管。
光學(xué)相干斷層掃描檢測的高靈敏度允許容易地觀察到視網(wǎng)膜的整個厚度，甚至外層視網(wǎng)膜焦點(diǎn)位置的瑞利范圍之外的層。當(dāng)用聚焦在光感受器上的高na成像時(shí)，由于光束發(fā)散，內(nèi)視網(wǎng)膜處的成像探針直徑明顯更大。因此，對于此處呈現(xiàn)的saooct-a圖像，毛細(xì)血管的外觀無法在全分辨率下獲得。盡管焦點(diǎn)位于外層視網(wǎng)膜，但深層毛細(xì)血管層(opl的毛細(xì)血管)很容易觀察到，對比度很好，如圖7所示。相比之下，使用低na設(shè)置成像時(shí)，深層毛細(xì)血管層的對比度較低。作為糖尿病視網(wǎng)膜病變早期變化的潛在部位，觀察深層毛細(xì)血管層的能力尤其令人感興趣。
此外，通過將焦點(diǎn)位置調(diào)整到視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層，也可以看到放射狀的毛細(xì)血管周圍。rpc通常是極長的細(xì)毛細(xì)血管，口徑變化很小，輻射結(jié)構(gòu)平行于nfl軸突。rpc代表臨床醫(yī)生感興趣的附加神經(jīng)叢層。盡管文獻(xiàn)中有證據(jù)表明視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞與視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(rgc)功能密切相關(guān)，并且其時(shí)間依賴性喪失是青光眼的特征，但在臨床上并不常見。這可能是因?yàn)闊o法可靠地可視化具有熒光血管造影術(shù)的rpcs，這是評價(jià)視網(wǎng)膜微血管的臨床標(biāo)準(zhǔn)，盡管它可能會變得更受歡迎，因?yàn)閞pcs可以使用標(biāo)準(zhǔn)oct-a進(jìn)行評估。如圖9所示，我們可以使用sao-oct-a系統(tǒng)通過利用可縮放準(zhǔn)直器進(jìn)行高na成像來可視化這種*的神經(jīng)叢。對于未來的研究，基于條帶的配準(zhǔn)技術(shù)的使用可以用于增強(qiáng)我們的光學(xué)相干斷層掃描定量分析。
研究結(jié)論
本研究提出了一種多尺度sao oct，能夠在1.7 mm光束直徑入射到角膜的標(biāo)準(zhǔn)oct模式和5.0 mm光束直徑入射到角膜的高na-oct模式下成像。利用光的偏振特性和一個可變形元件來改變?nèi)肷淙搜鄣牟ㄇ?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對簡單和緊湊。sao算法的性能在等平面斑塊中得到了驗(yàn)證，顯示了清晰的光感受器鑲嵌圖像和形成yellott環(huán)的空間頻率分布模式。結(jié)果表明，在視場為3°× 3°(900 μm × 900 μm)的視場面積大于等平面貼片的區(qū)域，像差校正是有效的。此外，通過應(yīng)用多重bm掃描協(xié)議，驗(yàn)證了sao-oct-a在兩種不同成像模式下的成像性能。從oct-a成像結(jié)果來看，標(biāo)準(zhǔn)oct-a成像可以在15°× 15°(4.5 mm × 4.5 mm)的fov上看到血管，高分辨率oct-a成像可以觀察到更詳細(xì)的血管和毛細(xì)血管。結(jié)果表明多尺度sao-oct-a系統(tǒng)具有很強(qiáng)的臨床應(yīng)用潛力。
參考文獻(xiàn)：myeong jin ju, morgan heisler, daniel wahl, yifan jian, marinko v. sarunic, “multiscale sensorlessadaptive optics oct angiography system for in vivo human retinal imaging,” j. biomed. opt.22(12), 121703 (2017)