[논문 리뷰] Dynamic contrast in scanning microscopic OCT

Michael Münter, Malte vom Endt외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 28.

Optical Coherence Tomography Applications참고 문헌 25인용 수 90

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 주파수 도메인 광간섭도 영상법(FD-OCT)에서 동적 대비를 구현하여, 염색하지 않은 마우스 조직에서 세포 및 세포소기관 구조를 고대비, 스펙클 없는 방식으로 영상화함을 보여준다. 3개의 주파수 대역(0–0.5 Hz, 0.5–5 Hz, 5–25 Hz)에서 OCT 신호의 시간적 강도 변동을 분석함으로써, B-scan 및 부피 영상에서 조직병리학적 대비를 구현하였으며, 고수율 렌즈를 사용함에도 불구하고 미크론 스케일 해상도로 상피층, 세포핵, 근섬유를 명확히 드러내었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세포 및 세포소기관 구조의 향상된 시각화를 위해 스캐닝 주파수 도메인 광간섭도 영상법(FD-OCT)에서 동적 대비 영상 기법을 개발하는 것.
• 시간 도메인 전면 광간섭도 영상법(FF-OCT)의 한계인 낮은 침투 깊이, 축 방향 운동에 대한 높은 민감도, 느린 부피 영상 촬속도를 극복하는 것.
• H&E 염색 섹션과 유사한 조직병리학적 대비를 갖춘 깊이 해상도가 있는 단층 영상 촬영을 가능하게 하는 것.
• 미래의 내 endoscopic 및 생체 내 조직 생검 응용 분야를 고려하여 스캐닝 FD-OCT에서의 동적 대비의 실현 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 1 µm 축 방향 해상도를 갖춘 초연속 스펙트럼 라이트 소스(550–950 nm)를 사용하였으며, FD-OCT에 적합한 섬유 기반 미켈슨 간섭계와 결합하였다.
• x/y 갈바노 스캐너와 비틀림 보정 렌즈를 사용하여 레이저 빔을 10x/0.3 NA 목표 렌즈의 후방 초점 평면에 스캐닝하여 B-scan 영상 촬영을 구현하였다.
• 라인 스캔 카메라(SprintSpL4096 및 OctoPlus CL)를 사용하여 A-scan 속도 최대 248 kHz, B-scan 속도 108 Hz를 달성하였다.
• 각 볼륨 요소에서의 시간적 신호 변동을 푸리에 변환하여 3개 주파수 대역(0–0.5 Hz, 파란색; 0.5–5 Hz, 초록색; 5–25 Hz, 빨간색)의 파wer를 추출하고, RGB 영상에 색상 코딩하였다.
• 잔여 산란을 제거하기 위해 5차 다항식을 사용하였으며, 영상 품질 향상을 위해 샤논 엔트로피 최적화를 적용하였다.
• 후처리 단계로 색상 채널의 로그 스케일링, 대비 제한적 적응형 히스토그램 평준화, 초점 피크 기준 밝기 정규화를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스캐닝 FD-OCT에서 동적 대비를 효과적으로 적용하여 조직 고정 또는 염색 없이도 세포 대비를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 동적 대비 영상 촬영에서 스캐닝 FD-OCT는 FF-OCT에 비해 운동 아티팩트 민감도와 영상 촬영 속도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 고수율 렌즈 사용이 스캐닝 FD-OCT에서의 동적 대비에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 횡방향 해상도와 초점 깊이 측면에서 어떤가?
• RQ4 스캐닝 FD-OCT에서의 동적 대비가 상피, 라미나 프로프리아, 근섬유와 같은 조직 성분을 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?
• RQ5 B-scan 기하학에서 스캐닝 미러에 의한 위상 노이즈와 축 방향 샘플 운동에 의한 영향에 대해 동적 대비가 얼마나 강인한가?

주요 결과

• 스캐닝 FD-OCT에서의 동적 대비 기법은 신선한 마우스 혀 및 간 조직에서 세포 수준의 상피세포, 세포핵, 세 cytoplasmic 기관을 미크론 스케일 해상도로 성공적으로 영상화하였다.
• 이 방법은 스펙클이 없는 B-scan 및 부피 영상 촬영을 가능하게 하였으며, H&E 염색 조직병리학 섹션과 유사한 대비를 구현하였고, 초점 평면을 초월한 영역에서도 동일한 성능을 보였다.
• 기저층, 라미나 프로프리아, 근섬유와 같은 세포 구조는 명확히 식별되었으며, 동적 대비 영상에서 세포핵은 노란색 영역으로 나타났다.
• 이 기법은 조직층을 따라 깊이 해상도가 있는 영상 촬영을 가능하게 하여, 전통적 조직병리학 영상과 유사한 단층 영상 시각화를 실현하였다.
• 이미지 촬영 속도는 갈바노 스캐너, 카메라 라인 속도, 초연속 스펙트럼 소스의 상대적 강도 노이즈(RIN)에 의해 제한되었지만, A-scan 속도 600 kHz에서 12부피/초의 잠재적 성능을 입증하였다.
• 스캐닝 미러는 동적 신호 추출에 영향을 주지 않았으며, 개별 A-scan 위상 보정을 통해 축 방향 운동 아티팩트가 완화되어 FF-OCT 대비 더 높은 강인성을 확보하였다.