[논문 리뷰] Curved-Full-Field OCT for high-resolution imaging of living human retina over a large field-of-view

Pedro Mecê, Kassandra Groux외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 19.

Optical Coherence Tomography Applications참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 인간 망막의 곡률에 맞게 간섭계 게이트를 형상화하는 새로운 광학 간섭 단층촬영 기술인 곡선형 전체분야 OCT를 소개한다. 이 기술은 적응광학 없이도 단일 촬영으로 1 mm × 1 mm 분야를 고해상도로 촬영할 수 있게 하며, 망막 중심에서 0.5° 이내의 위치에 있는 간상세포를 직접 시각화할 수 있다. 이는 간상세포 생물학적 지표의 신뢰성 있는 추출과 실시간 스팩트로시간적 모니터링을 가능하게 하며, 소형이고 저비용의 시스템을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 전체분야 OCT에서 망막의 곡률을 고려하지 못해 제한된 분야를 가지는 문제를 해결하기 위해.
• 망막 기하학에 맞게 광학적으로 간섭계 게이트의 형상을 조절하는 방법을 개발하여, 이미징 정밀도와 분야를 향상시키기 위해.
• 적응광학 없이도 망막 중심에서 가까운 거리의 간상세포를 고해상도로 단일 촬영으로 살아있는 인간에서 촬영하기 위해.
• 복잡한 적응광학 현미경의 대체로 임상적으로 실용적이며 저비용인 맹막 생물학적 지표 평가 방법을 제공하기 위해.
• 조기 맹막 질환 진단을 위해 개별 간상세포의 스팩트로시간적 모니터링을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 린니크 간섭계의 한 지지대에 N-BK7 창을 삽입하여 대칭성을 깨뜨리고 곡률을 가진 간섭계 게이트를 유도한다.
• 간섭계 게이트의 곡률은 창의 두께와 위치(기준 또는 샘플 지지대)에 의해 제어되며, 이는 맹막 곡률에 기하학적으로 적응할 수 있도록 한다.
• 기준 지지대의 잔류 축방향 운동을 통한 시간영역 단계 변조를 통해 스캐닝 없이 깊이 해상도를 확보한다.
• 300 Hz로 촬영한 영상 시퀀스에서 비코herent 노이즈를 억제하고 코herent 신호를 추출하기 위해 2단계 탈조화 기법을 적용한다.
• 표준화된 상관관계를 이용한 영상 정렬을 통해 눈의 움직임을 보정하며, 최고의 신호 영상을 기준으로 사용한다.
• 300×300 µm ROIs(20 µm 간격)를 겹쳐 사용하여 원추 세포 밀도도를 생성하고, 모드 간격 분석 및 스퍼인 보간을 통해 해상도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체분야 OCT에서 간섭계 게이트 형상이 인간 맹막의 곡률에 맞게 광학적으로 조절될 수 있는가? 이를 통해 유용한 분야가 크게 확장될 수 있는가?
• RQ2 곡선형 전체분야 OCT가 적응광학 없이도 살아있는 인간 맹막에서 간상세포의 고해상도, 단일 촬영 이미징을 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ3 유도된 간섭계 게이트 곡률이 대칭적 FF-OCT와 비교해 맹막 촬영에서 이미지 품질과 분야에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 밀도, 간격, 분포와 같은 간상세포 기반 생물학적 지표가 곡선형-FF-OCT 영상에서 신뢰성 있게 추출될 수 있는가?
• RQ5 이 시스템이 임상 적용에 적합한 안정성과 해상도를 확보하여 개별 간상세포의 스팩트로시간적 모니터링을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 곡선형 전체분야 OCT 시스템은 단일 촬영으로 1 mm × 1 mm 분야를 확보하여 기존의 전형적인 FF-OCT의 0.4 mm × 0.4 mm 제한을 크게 초월한 실용적 분야를 확보했다.
• 적응광학 없이도 망막 중심에서 0.5° 이격된 곳까지도 간상세포의 고해상도 촬영이 성공적으로 수행되었다.
• 300×300 µm 영역과 20 µm 간격의 겹치는 ROI 기반 알고리즘을 사용한 자동화된 방법으로 간상세포 밀도 및 간격도를 신뢰성 있게 추출할 수 있었다.
• 2단계 탈조화 및 영상 정렬 파이프라인은 노이즈를 효과적으로 억제하고 눈의 움직임을 보정하여 안정적이고 고대비의 횡단 영상을 확보했다.
• 시스템은 임상 환경과 호환되며, ISO 눈 안전 기준 이하로 작동했다(0.5초 기준 1.3 mW, 연속 작동 시 0.25 mW)이며, 환자 복용 안경을 통해 신호를 향상시킬 수 있었다.
• AO 현미경과의 비교 촬영 결과 곡선형-FF-OCT가 유사한 간상세포 모자이크 시각화를 제공함을 확인하여, 일상 임상 사용을 위한 저비용·소형 대체 수 Mittel로의 잠재력을 입증했다.