[論文レビュー] Curved-Full-Field OCT for high-resolution imaging of living human retina over a large field-of-view

Pedro Mecê, Kassandra Groux+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2020

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、人間の網膜の曲率に合わせてコherencesゲートを形状化する新しい光学コherエンス断層撮影（OCT）技術、曲率を考慮したフルフィールドOCT（curved-full-field OCT）を紹介する。この技術により、適応的光学（AO）を用いずに1回の撮影で1 mm × 1 mmの視野をカバーする高分解能イメージングが可能となり、網膜中心から0.5°以内の光受容器の在来可視化が実現された。これにより、安定した光受容器バイオマーカー抽出と、コンactで低コストなシステムによる時空間的モニタリングが可能となった。

ABSTRACT

Allying high-resolution with a large field-of-view (FOV) is of great importance in the fields of biology and medicine, but particularly challenging when imaging non-flat living samples such as the human retina. Indeed, high-resolution is normally achieved with adaptive optics (AO) and scanning methods, which considerably reduce the useful FOV and increase the system complexity. An alternative technique is time-domain Full-Field Optical Coherence Tomography (FF-OCT), which has already shown its potential for in-vivo high-resolution retinal imaging. Here, we introduce curved-field FF-OCT, capable of matching the coherence gate geometry to the sample curvature, thus achieving a larger FOV than previously possible. Using this instrument, we obtained high-resolution images of living human photoreceptors close to the foveal center without AO and with a 1 mm x 1 mm FOV in a single shot. This novel advance enables the extraction of photoreceptor-based biomarkers with ease and spatiotemporal monitoring of individual photoreceptors. We compare our findings with AO-assisted ophthalmoscopes, highlighting the potential of FF-OCT, as a relatively simple, compact and low-cost system, to become a routine clinical imaging technique.

研究の動機と目的

• 従来のフルフィールドOCTにおいて、網膜の曲面を対象とした際の視野の制限を克服すること。
• 網膜の幾何学的形状に合わせて、光学的にコherencesゲートの形状を調整する手法を開発することにより、イメージングの忠実性と視野を向上させること。
• 適応的光学を用いずに、網膜中心に近い位置の光受容器を高分解能・1回の撮影で生体内イメージングすること。
• 複雑なAO顕微鏡の代替として、臨床的実用性があり低コストな網膜バイオマーカー評価手法を提供すること。
• 早期網膜疾患の診断を可能にするために、個々の光受容器の時空間的モニタリングを可能とすること。

提案手法

• Linnik干渉計の一方の腕にN-BK7の光学窓を挿入することで対称性を破り、曲率を持つコherencesゲートを生成する。
• コherencesゲートの曲率は、光学窓の厚さおよび設置位置（基準腕またはサンプル腕）によって制御され、網膜の曲率に幾何学的に適合可能となる。
• 基準腕の残存軸方向運動を用いた時間領域位相変調により、走査を伴わず深さ方向分解能を得る。
• 300 Hzで取得した画像系列から、非コherent雑音を抑制し、コherent信号を抽出するために2段階デモジュレーション手法を適用する。
• 正規化相互相関を用いた画像登録により、目動揺を補正し、信号が最も強い画像を基準画像として用いる。
• 300×300 µmの重複ROI（20 µmステップ）を用い、モード間隔解析とスプライン補間を組み合わせることで、光受容器密度マップを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルフィールドOCTにおけるコherencesゲートの幾何学的形状を、人間網膜の曲率に合わせて光学的に形状化できるか。これにより、有用視野が拡大できるか。
• RQ2 曲率を考慮したフルフィールドOCTは、適応的光学を用いずに、生体網膜における光受容器の高分解能・1回の撮影によるイメージングをどの程度達成できるか。
• RQ3 誘導されたコherencesゲートの曲率は、対称的FF-OCTと比較して、網膜イメージングにおける画像品質と視野にどのような影響を及ぼすか。
• RQ4 密度、間隔、分布といった光受容器ベースのバイオマーカーが、生体において曲率を考慮したFF-OCT画像から信頼性を持って抽出可能か。
• RQ5 このシステムは、臨床応用に十分な安定性と分解能を備えており、個々の光受容器の時空間的モニタリングを可能にするか。

主な発見

• 曲率を考慮したフルフィールドOCTシステムは、1回の撮影で1 mm × 1 mmの視野を実現し、従来のFF-OCTの典型的な0.4 mm × 0.4 mmの制限を著しく超える有効視野を達成した。
• 適応的光学を用いずに、網膜中心から0.5°の拡散度まで光受容器の高分解能イメージングが成功した。
• 300×300 µmの領域と20 µmステップを用いた自動化された重複ROIベースのアルゴリズムにより、光受容器密度および間隔マップの信頼性ある抽出が可能となった。
• 2段階デモジュレーションと画像登録パイプラインにより、雑音が効果的に抑制され、安定的で高コントラストなアンビエントイメージが得られた。
• システムは臨床現場での運用に適しており、ISO眼安全基準（0.5秒で1.3 mW、連続で0.25 mW）以下で動作し、被検者の眼鏡を装着することで信号が向上した。
• AO顕微鏡との比較イメージングにより、曲率を考慮したFF-OCTが、同等の光受容器モザイクの可視化を提供することが確認され、日常臨床用途における低コストでコンパクトな代替手法としての可能性が裏付けられた。