[論文レビュー] Dynamic contrast in scanning microscopic OCT

Michael Münter, Malte vom Endt+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2020

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 25被引用数 90

ひとこと要約

本研究では、スキャン周波数領域光学コherence断層画像法（FD-OCT）における動的コントラストを実証し、染色を行わないマウス組織の細胞および細胞小器官構造を高コントラスト・スピークルフリーでイメージングすることに成功した。OCT信号の時間的強度変動を3つの周波数帯（0–0.5 Hz、0.5–5 Hz、5–25 Hz）に分けて分析することで、Bスキャンおよびボリューム画像においてヒストロロジーに類似したコントラストが得られ、高数値孔径（NA）レンズを用いてもマイクロメートルスケールの分解能で上皮層、核、筋線維を明確に可視化した。

ABSTRACT

While optical coherence tomography (OCT) provides a resolution down to 1 micrometer it has difficulties to visualize cellular structures due to a lack of scattering contrast. By evaluating signal fluctuations, a significant contrast enhancement was demonstrated using time-domain full-field OCT (FF-OCT), which makes cellular and subcellular structures visible. The putative cause of the dynamic OCT signal is ATP-dependent motion of cellular structures in a sub-micrometer range, which provides histology-like contrast. Here we demonstrate dynamic contrast with a scanning frequency-domain OCT (FD-OCT). Given the inherent sectional imaging geometry, scanning FD-OCT provides depth-resolved images across tissue layers, a perspective known from histopathology, much faster and more efficiently than FF-OCT. Both, shorter acquisition times and tomographic depth-sectioning reduce the sensitivity of dynamic contrast for bulk tissue motion artifacts and simplify their correction in post-processing. The implementation of dynamic contrast makes microscopic FD-OCT a promising tool for histological analysis of unstained tissues.

研究の動機と目的

• 細胞および細胞小器官構造の可視化を向上させるために、スキャン周波数領域OCT（FD-OCT）における動的コントラストイメージングを開発すること。
• 時間領域フルフィールドOCT（FF-OCT）の限界、例えば低透過深度、軸方向の動きに敏感であること、およびボリューム画像取得が遅いことといった問題を克服すること。
• H&E染色断片と同等のコントラストを持つ、深さ分解能のあるトモグラフィックイメージングを可能にすること。
• 今後の内視鏡的および生体内光学生検への応用を想定し、スキャンFD-OCTにおける動的コントラストの実現可能性を評価すること。

提案手法

• 1 µmの軸方向分解能を有するスーパコンtinuum光源（550–950 nm）を用い、ファイバー型ミケルソン干渉計を組み合わせてFD-OCTを実装した。
• X/Yギャラボンスキャナとアキシャマチックトランジットを用いて、10x/0.3 NAの対物レンズの後焦点面にビームをスキャンし、Bスキャンイメージングを実現した。
• ラインスキャンカメラ（SprintSpL4096およびOctoPlus CL）を用いて、Aスキャンレートは最大248 kHzに達し、Bスキャンレートは108 Hzに達した。
• 各ボクセルにおける時間的信号変動をフーリエ変換し、3つの周波数帯（0–0.5 Hz：青、0.5–5 Hz：緑、5–25 Hz：赤）のパワーを抽出し、RGB画像にカラーコーディングした。
• 残余分散を5次多項式で補正し、画像品質を向上させるためにシャノンエントロピーを最適化した。
• 後処理として、カラーチャネルの対数スケーリング、コントラスト制限付きのアダプティブヒストグラム均一化、焦点ピークに合わせた明るさ正規化を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スキャンFD-OCTに動的コントラストを効果的に実装することで、組織固定や染色に依存せずに細胞コントラストを向上させることができるか？
• RQ2 動的コントラストイメージングにおいて、スキャンFD-OCTはFF-OCTと比較してモーションアーチファクトの感受性や画像取得速度に優れているか？
• RQ3 高NAレンズの使用が、特に横方向分解能および焦点深度の観点から、スキャンFD-OCTにおける動的コントラストに与える影響はどの程度か？
• RQ4 スキャンFD-OCTにおける動的コントラストは、上皮、ラミナプロプラ、筋線維などの組織成分を信頼性高く区別できるか？
• RQ5 Bスキャン幾何学におけるスキャニングミラーに起因する位相ノイズおよび軸方向サンプルの動きに起因するノイズに対して、動的コントラストは頑健であるか？

主な発見

• スキャンFD-OCTにおける動的コントラストは、マイクロメートルスケールの分解能で新鮮なマウス舌および肝臓組織において、個々の上皮細胞、細胞核、細胞質構造を明確に可視化した。
• 本手法により、焦点面を越えてでもスピークルフリーのBスキャンおよびボリューム画像が得られ、H&E染色ヒストロロジー断片と同等のコントラストを示した。
• 基底層、ラミナプロプラ、筋線維といった細胞構造が明確に識別可能であり、核は動的コントラスト画像において黄色に表示された。
• 本技術により、組織層全体にわたる深さ分解能イメージングが可能となり、従来のヒストパスロジーに類似したトモグラフィック可視化が実現した。
• イメージング速度はギャラボンスキャナ、カメララインレート、スーパコンチニウム光源の相対強度ノイズ（RIN）に制限を受けていたが、600 kHz Aスキャンレートで1秒間に12ボリュームの取得が可能であると示した。
• スキャニングミラーは動的信号抽出に影響を与えず、個々のAスキャン位相補正により軸方向のモーションアーチファクトが軽減され、FF-OCTに比べてより頑健な性能を示した。