[논문 리뷰] Ophtalmoscope à illumination partielle du champ : amélioration du contraste d’un système d’imagerie rétinienne par caméra

Léa Krafft, Elena Gofas-Salas외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 02.

Optical Coherence Tomography Applications참고 문헌 33인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 부분 영역 조명 망막내시경기(PFIO)를 소개한다. 이는 망막에 순차적으로 보완적인 체크무늬 조명 패턴을 투사하고, 디지털로 비조명 영역을 억제함으로써 영상 대비를 향상시키는 새로운 카메라 기반 맹막 영상 기술이다. 패턴 수(N)를 변화시킴으로써 대비 향상도 √N 비례로 달성되며, 이는 전체 영역 조명 및 공조점 망막내시경기 사이의 대비 및 촬영 속도 간 격차를 메운다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전체 영역 망막내시경기의 대비 한계를 해결하기 위해.
• 공조점 망막내시경기의 느린 촬영 속도를 극복하면서 영상 대비를 향상시키기 위해.
• 전체 영역 영상의 속도와 공조점 영상의 대비를 결합한 하이브리드 영상 모odal을 개발하기 위해.
• 종단적인 임상 연구에 적합한 고대비, 광역 맹막 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용하여 망막에 프로그래밍 가능한 보완 체크패턴 조명을 투사한다.
• 각 패턴은 맹막의 일부 영역만 조명하며, 나머지 영역는 해당 카메라 픽셀을 0으로 설정하여 억제한다.
• N번의 연속 프레임을 조합하여 전체 영역 영상을 재구성한다. 각 프레임은 서로 다른 패턴으로 촬영된다.
• 공간 필터링은 수치적으로 수행되며, 스캐닝 레이저 맹막내시경기에서 가변 공조점 핀홀을 모방한다.
• Mich슨 대비를 사용하여 N에 대한 영상 대비 향상 정도를 정량화한다.
• 시스템은 안구 기형을 교정하고 영상 무결성을 유지하기 위해 적응광학 기반 전체 영역 맹막내시경기에 통합되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 영역 맹막내시경기에서 맹막의 부분 조명이 촬영 속도를 유지하면서도 영상 대비를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 보완 조명 패턴 수(N)에 따라 재구성된 영상의 대비는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 PFIO 기법이 전체 영역 영상에 가까운 속도로 공조점 유사 대비를 달성할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 PFIO 기법을 초해상도 또는 어두은 영역 영상 향상에 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 재구성된 영상의 대비는 보완 패턴 수(N)의 제곱근에 비례하여 증가하며, 데이터에 대한 피팅 결과는 √N에 대한 거듭제곱 법칙 의존성을 보였다.
• N = 4일 때 PFIO는 약 0.45의 Michelson 대비를 달성했으며, N ≈ 106일 때 공조점 대비 수준(0.8)에 가까워졌다.
• 공조점 대비 수준(0.8)은 N이 200에서 1000 사이일 때 도달할 수 있었으며, 이는 기존 SLO에 비해 뚜렷한 속도 우위를 보였다.
• 영상의 푸리에 변환은 N이 증가할수록 점점 더 뚜렷해지는 Yellot의 고리가 나타나, 갈망세포 모자이크의 가시성이 향상됨을 확인했다.
• 체크패턴 조명으로 인한 잔여 격자 무늬는 대비 평가에 영향을 주지 않으며, 공정한 비교를 위해 유지되었다.
• 이 방법은 프레임당 노출 시간이 최소 5ms인 실시간 대비 향상이 가능하게 하여, 역학적 맹막 영상 촬영에 적합하다.