[论文解读] Ophtalmoscope à illumination partielle du champ : amélioration du contraste d’un système d’imagerie rétinienne par caméra

Léa Krafft, Elena Gofas-Salas+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 33被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新型基于相机的视网膜成像技术——部分光场眼底镜（PFIO），通过依次投射互补的棋盘状照明图案至视网膜，并数字抑制未照明区域，从而提升图像对比度。通过调整图案数量（N），该方法实现的对比度提升与√N成正比，从而在对比度和采集速度方面弥合了全视野与共焦眼底镜之间的差距。

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.

研究动机与目标

• 解决全视野眼底镜在视网膜成像中对比度受限的问题。
• 在提升图像对比度的同时，克服共焦眼底镜采集速度慢的缺点。
• 开发一种混合成像模式，结合全视野成像的速度与共焦成像的对比度优势。
• 实现适用于纵向临床研究的高对比度、广视野视网膜成像。

提出的方法

• 该方法利用数字微镜器件（DMD）将可编程的互补棋盘状照明图案投射至视网膜。
• 每种图案仅照亮视网膜的一部分，其余区域通过将对应相机像素设为零来抑制。
• 通过组合N次连续采集的帧（每帧使用不同的图案）重建全视野图像。
• 空间滤波通过数值方式实现，模拟扫描激光眼底镜中可变的共焦针孔。
• 使用Michelson对比度量化图像对比度提升与N的关系。
• 系统集成于自适应光学全视野眼底镜中，以校正眼动畸变并保持图像保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不牺牲采集速度的前提下，对视网膜进行部分照明是否能提升全视野眼底镜的图像对比度？
• RQ2 重建图像的对比度如何随互补照明图案数量（N）变化？
• RQ3 PFIO方法在接近全视野成像速度下，能在多大程度上实现类似共焦的对比度？
• RQ4 PFIO技术是否可用于增强视网膜成像中的超分辨率或暗场成像？

主要发现

• 重建图像的对比度与互补图案数量（N）的平方根成正比，数据拟合显示其对√N呈幂律依赖关系。
• 当N = 4时，PFIO实现的Michelson对比度约为0.45，接近共焦对比度水平（0.8），后者在N ≈ 106时达到。
• 共焦对比度水平（0.8）可在N介于200至1000之间时实现，表明相比传统SLO具有显著的速度优势。
• 图像的傅里叶变换显示，随着N增加，Yellot环逐渐变亮，证实感光细胞镶嵌结构的可见度得到增强。
• 棋盘状照明残留的网格图案未影响对比度评估，且为公平比较而予以保留。
• 该方法可实现曝光时间低至每帧5 ms的实时对比度增强，适用于动态视网膜成像。