[論文レビュー] Super-resolution in vivo retinal imaging using structured illumination ophthalmoscopy

Yann Lai-Tim, Laurent M. Mugnier+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2020

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、眼の不正視を補正するための適応的光学（AO）と、眼球運動や散乱を克服するための動きに強い再構成アルゴリズムを組み合わせることで、生体における網膜画像の超解像を実現する構造的照照明オフタルモスコピー（SIO）を提案する。この手法は、生体の網膜画像においてサブミクロン解像度を達成し、歪みのない高コントラストの光学断層像を実現した。

ABSTRACT

Structured illumination microscopy (SIM) is one of the most versatile super-resolution techniques. Yet, its application to live imaging has been so far mainly limited to fluorescent and stationary specimens. Here, we present advancements in SIM to jointly tackle all the challenges of imaging living samples, i.e., obtaining super-resolution over an undistorted wide-field while dealing with sample motion, scattering, sample-induced optical aberrations and low signal-to-noise ratio. By using adaptive optics to compensate for optical aberrations and a reconstruction algorithm tailored for a moving and thick tissue, we successfully applied SIM to in vivo retinal imaging and demonstrated structured illumination ophthalmoscopy for high contrast super-resolution in vivo imaging of the human retina.

研究の動機と目的

• 従来の網膜画像撮影技術の限界を克服し、高い信号対雑音比と広視野を維持したまま超解像を実現すること。
• 眼球運動、光学的不正視、散乱、低信号対雑音比といった生体網膜画像撮影の課題に対処すること。
• 適応的光学と動き補償再構成を統合することで、構造的照照明顕微鏡（SIM）を生体における人間網膜画像に応用すること。
• 走査ベースの手法に依存せずに、歪みのない高コントラストの超解像網膜画像を実現すること。

提案手法

• 適応的光学（AO）を用いて、眼の光学系に起因する不正視を補正し、網膜に高コントラストの構造的照照明パターンを投影することを保証する。
• デジタルマイクロミラー素子（DMD）を用いて、変化する空間周波数と方向を持つ正弦波縞パターンを投影し、高周波数の網膜特徴を検出可能な帯域に変調する。
• 平均化されたSIOフレームから正弦波モデルの最小二乗フィッティングに基づく再構成アルゴリズムを適用し、照照明パターンのパラメータ（周波数、位相、コントラスト）を推定する。
• 網膜のずれ（眼球運動に起因）は、照照明パターンを空間フィルタで除去したフィルタ処理を施した広視野画像を用いたサブピクセル登録によって推定する。
• 背景の不均一性および散乱効果は、広視野画像にハイパスフィルタを適用することで低周波数の照照明不均一性を抑制することによって補正する。
• コーン密度マップは、モザイク画像を重複する64×64ピクセルの領域に分割し、各領域におけるモード間隔を計算した後、双三次補間を適用して空間解像度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 眼の不正視と眼球運動が存在する中で、構造的照照明オフタルモスコピー（SIO）は生体網膜における超解像画像撮影を達成できるか？
• RQ2 適応的光学と動きに強い再構成が、生体網膜画像撮影において画像コントラストと解像度をどのように向上させるか？
• RQ3 構造的照照明は、厚い散乱性網膜組織においてどれほど光学断層像を実現できるか、また空間忠実性は保たれるか？
• RQ4 SIOと適応的光学の組み合わせは、共焦点走査レーザーオフタルモスコピー（cSLO）に内在する信号対雑音比と解像度のトレードオフを克服できるか？

主な発見

• 本手法は、サブミクロン解像度を達成し、生体の網膜中心窩における個々のコーン感光細胞を解像した超解像画像撮影に成功した。
• 適応的光学補正により、投影された構造的照照明パターンのコントラストと忠実度が顕著に向上し、有効な高周波数変調が可能になった。
• 動きに強い再構成アルゴリズムにより、眼球運動に起因する網膜のずれが効果的に補正され、歪みのない画像の整合性が維持された。
• ハイパスフィルタを用いた背景補正により、特に中心窩のコーンにおいて、照照明不均一性と散乱効果を抑制することでコントラストが向上した。
• 再構成されたSIO画像は、従来の広視野画像と比較して解像度と光学断層像の性能が向上し、微細な網膜構造の可視性が向上した。
• 商業用AO補正cSLOシステムとの定量的比較により、SIOは走査に起因する歪みがない状況で、同等またはそれ以上の解像度とコントラストを提供することが確認された。