[論文レビュー] Ophtalmoscope à illumination partielle du champ : amélioration du contraste d’un système d’imagerie rétinienne par caméra

Léa Krafft, Elena Gofas-Salas+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 33被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、網膜に順次補完的なチェッカーボード照明パターンを投影し、デジタル的に非照明領域を抑制することで、画像コントラストを向上させる新しいカメラベースの網膜画像撮影技術、部分フィールド照明顕微鏡（PFIO）を紹介する。N 個のパターンを変化させることで、√N に比例したコントラスト向上が達成され、コントラストと取得速度の面で、フルフィールドと共焦点顕微鏡の間の溝を埋める。

ABSTRACT

Effective and accurate in-vivo diagnosis of retinal pathologies requires high performance imaging devices, combining a large field of view and the ability to discriminate the ballistic signal from the diffuse background in order to provide a highly contrasted image of the retinal structures. Here, we have implemented the Partial-Field Illumination Ophthalmoscope, a patterned illumination modality, integrated on a high pixel rate adaptive optics full-field microscope. This non-invasive technique enables us to mitigate the low signal-to-noise ratio, intrinsic of full-field ophthalmoscopes, by partially illuminating the retina with complementary patterns to reconstruct a wide field image. This new modality provides an image contrast spanning from the full-field to the confocal contrast, depending on the pattern size. As a result, it offers various trade-offs in terms of contrast and acquisition speed, guiding the users towards the most efficient system for a particular clinical application.

研究の動機と目的

• フルフィールド顕微鏡における網膜画像撮影のコントラスト制限を克服すること。
• 共焦点顕微鏡の遅い取得速度を克服しつつ、画像コントラストを向上させること。
• フルフィールド画像撮影の速度と共焦点画像撮影のコントラストを組み合わせたハイブリッド画像撮影モダリティを開発すること。
• 縦断的臨床研究に適した高コントラストで広視野の網膜画像撮影を可能にすること。

提案手法

• 本手法は、網膜にプログラマブルな補完的チェッカーボード照明パターンを投影するためのデジタルマイクロミラー素子（DMD）を用いる。
• 各パターンは網膜の一部を照明し、残りの領域は対応するカメラピクセルをゼロに設定することで抑制される。
• N 個の連続フレームを組み合わせることで、フルフィールド画像が再構成される。
• 空間フィルタリングは数値的に実現され、走査レーザー顕微鏡における可変共焦点ピンホールを模倣する。
• ミケルソンコントラストを用いて、N の関数としての画像コントラスト向上を定量的に評価する。
• 眼の像収差を補正し、画像の忠実性を維持するために、適応オプティクスを備えたフルフィールド顕微鏡に本システムを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 網膜の部分的照明は、取得速度を損なわずにフルフィールド顕微鏡の画像コントラストを向上させることができるか？
• RQ2 補完的照明パターンの数（N）と再構成画像のコントラストの関係はいかなるものか？
• RQ3 PFIO手法は、フルフィールド画像撮影に近い速度で共焦点に類似したコントラストをどの程度達成できるか？
• RQ4 PFIO技術は、網膜画像撮影におけるスーパーレゾリューションまたはダークフィールド画像撮影を向上させることができるか？

主な発見

• 再構成画像のコントラストは、補完的パターン数（N）の平方根に比例して向上し、データへのフィットでは√N にべき乗則的依存関係が確認された。
• N = 4 の場合、PFIOはミケルソンコントラスト約 0.45 を達成し、N ≈ 106 の共焦点コントラスト（0.8）に近づいた。
• 共焦点コントラスト（0.8）に達するには N が 200 から 1000 の範囲で十分であり、従来のSLOに比べて顕著な速度優位性が示された。
• 画像のフーリエ変換により、N が増加するにつれて徐々に明るくなるイェロットのリングが確認され、光受容体モザイクの可視性が向上したことが裏付けられた。
• チェッカーボード照明に起因する残存グリッドパターンはコントラスト評価を妨げず、公平な比較のため保持された。
• 本手法により、1フレームあたり5 msという短い露出時間でリアルタイムのコントラスト強化が可能となり、動的網膜画像撮影に適していることが示された。