[论文解读] Dynamic contrast in scanning microscopic OCT

Michael Münter, Malte vom Endt+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2020

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 25被引用 90

一句话总结

本研究展示了扫描频域光学相干断层扫描（FD-OCT）中的动态对比度，实现了未染色小鼠组织中细胞及亚细胞结构的高对比度、无斑点成像。通过分析OCT信号在三个频带（0–0.5 Hz、0.5–5 Hz、5–25 Hz）内的时间强度波动，该方法在B-scan和体素图像中实现了类似组织病理学的对比度，即使在使用高数值孔径物镜的情况下，也能以微米级分辨率清晰呈现上皮层、细胞核和肌纤维。

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.

研究动机与目标

• 开发扫描频域光学相干断层扫描（FD-OCT）中的动态对比度成像技术，以增强细胞及亚细胞结构的可视化效果。
• 克服时域全场OCT（FF-OCT）的局限性，如穿透深度低、对轴向运动敏感以及体素成像速度慢。
• 实现具有类似组织病理学对比度的深度分辨、断层成像，与H&E染色切片相当。
• 评估扫描FD-OCT中动态对比度在未来的内窥镜及在体光学活检应用中的可行性。

提出的方法

• 使用中心波长范围为550–950 nm、轴向分辨率为1 µm的超连续谱光源，结合光纤式迈克尔逊干涉仪实现FD-OCT。
• 通过x/y扫描镜与消色差望远镜将光束扫描至10x/0.3 NA物镜的后焦平面，实现B-scan成像。
• 利用线扫描相机（SprintSpL4096和OctoPlus CL）实现最高248 kHz的A-scan速率，B-scan速率达108 Hz。
• 对每个体素的时间信号波动进行傅里叶变换，提取三个频带（0–0.5 Hz，蓝色；0.5–5 Hz，绿色；5–25 Hz，红色）的功率，并将结果以RGB形式编码为彩色图像。
• 通过五阶多项式校正残余色散，利用香农熵优化以提升图像质量。
• 后处理包括对彩色通道进行对数缩放、对比度受限自适应直方图均衡化，以及以焦平面峰值为基准的亮度归一化。

实验结果

研究问题

• RQ1 动态对比度能否在扫描FD-OCT中有效实现，以增强细胞对比度，且无需依赖组织固定或染色？
• RQ2 在动态对比度成像中，扫描FD-OCT与FF-OCT相比，在运动伪影敏感性和图像采集速度方面有何差异？
• RQ3 高NA物镜的使用在多大程度上影响了扫描FD-OCT中的动态对比度，特别是在横向分辨率和焦深方面？
• RQ4 扫描FD-OCT中的动态对比度能否可靠地区分组织成分，如上皮、固有层和肌纤维？
• RQ5 在B-scan结构中，动态对比度对扫描镜引入的相位噪声及轴向样本运动是否具有鲁棒性？

主要发现

• 扫描FD-OCT中的动态对比度成功实现了对新鲜小鼠舌和肝脏组织中单个上皮细胞、细胞核及细胞质结构的微米级分辨率成像。
• 该方法生成了无斑点的B-scan和体素图像，其对比度与H&E染色的组织病理学切片相当，即使在焦平面以外区域也保持清晰。
• 细胞结构如基底层、固有层和肌纤维在图像中清晰可辨，细胞核在动态对比图像中呈现为黄色区域。
• 该技术实现了组织各层的深度分辨成像，可实现类似传统组织病理学的断层可视化。
• 成像速度受限于扫描镜、相机行速率以及超连续谱光源的相对强度噪声（RIN），但已证明在600 kHz A-scan速率下可实现每秒12个体素的成像速度。
• 扫描镜未干扰动态信号提取，且通过逐个A-scan的相位校正有效缓解了轴向运动伪影，显著提升了对FF-OCT的鲁棒性。