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

Pedro Mecê, Kassandra Groux+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2020

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 40被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型光学相干断层扫描技术——曲面全场OCT（curved-full-field OCT），通过将相干门的形状调整为与人体视网膜曲率匹配，实现了无需自适应光学（AO）的单次曝光、高分辨率1 mm × 1 mm视场成像。该方法可在不使用自适应光学的情况下，实现距黄斑中心仅0.5°处的光感受器在体可视化，支持光感受器生物标志物的稳健提取及时空动态监测，且系统结构紧凑、成本低廉。

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.

研究动机与目标

• 为解决传统全场OCT在成像曲面人眼视网膜时视场受限的问题。
• 开发一种通过光学方式调节相干门形状以匹配视网膜几何形态的方法，提升成像保真度与视场范围。
• 实现在无需自适应光学的条件下，对黄斑区附近光感受器进行高分辨率、单次曝光在体成像。
• 提供一种临床可行、低成本的替代方案，用于视网膜生物标志物评估，替代复杂的AO眼底镜系统。
• 实现对单个光感受器的时空动态监测，为视网膜疾病早期诊断提供支持。

提出的方法

• 在Linnik干涉仪的一条光路中插入N-BK7光学窗，破坏对称性并引入曲面相干门。
• 通过光学窗的厚度及其在参考臂或样品臂中的位置控制相干门的曲率，实现对视网膜曲率的几何适配。
• 利用参考臂残余轴向运动实现时域相位调制，实现无扫描的深度分辨成像。
• 采用两步相位解调技术，抑制非相干噪声，并从300 Hz采集的图像序列中提取相干信号。
• 通过归一化互相关实现图像配准，校正眼动，以信噪比最高的图像作为参考图像。
• 利用重叠的300×300 µm感兴趣区域（ROI，步长20 µm）生成视锥密度图，结合模态间距分析与样条插值以提升分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过光学方式调节全场OCT中的相干门几何形状，使其匹配人眼视网膜曲率，从而扩大有效视场？
• RQ2 曲面全场OCT在无需自适应光学的条件下，能在多大程度上实现对活体人眼视网膜光感受器的高分辨率、单次曝光成像？
• RQ3 与对称全场OCT相比，所引入的相干门曲率对视网膜成像的图像质量与视场范围有何影响？
• RQ4 能否从曲面全场OCT图像中可靠提取基于光感受器的生物标志物，如密度、间距与分布？
• RQ5 该系统是否具备足够的稳定性与分辨率，可实现对单个光感受器的时空动态监测，适用于临床应用？

主要发现

• 曲面全场OCT系统在单次曝光下实现了1 mm × 1 mm的视场，显著扩展了传统全场OCT典型0.4 mm × 0.4 mm视场的可用范围。
• 在无需自适应光学的条件下，成功实现了距黄斑中心仅0.5°处光感受器的高分辨率成像。
• 通过基于重叠ROI的自动化算法（300×300 µm区域，20 µm步长），可靠提取了光感受器密度与间距图。
• 两步相位解调与图像配准流程有效抑制了噪声并校正了眼动，获得了稳定、高对比度的正交视图图像。
• 该系统与临床环境兼容，在ISO眼安全限值内运行（0.5秒照射为1.3 mW，连续照射为0.25 mW），并可配合受试者佩戴的眼镜使用以增强信号。
• 与AO眼底镜的对比成像结果表明，曲面全场OCT可提供与之相当的光感受器镶嵌图可视化效果，验证了其作为低成本、紧凑型设备在常规临床应用中的潜力。