[论文解读] Super-resolution in vivo retinal imaging using structured illumination ophthalmoscopy

Yann Lai-Tim, Laurent M. Mugnier+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2020

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 25被引用 8

一句话总结

本文提出结构光照明显微镜眼底成像（SIO），通过结合自适应光学技术校正眼内像差，并采用抗运动的重建算法克服眼球运动与散射影响，实现活体人眼视网膜的超分辨率成像。该方法在活体人类视网膜成像中实现了亚微米分辨率，显著提升了对比度并实现了无畸变的光学切片成像。

ABSTRACT

Structured illumination microscopy (SIM) is one of the most versatile super-resolution techniques. Yet, its application to live imaging has been so far mainly limited to fluorescent and stationary specimens. Here, we present advancements in SIM to jointly tackle all the challenges of imaging living samples, i.e., obtaining super-resolution over an undistorted wide-field while dealing with sample motion, scattering, sample-induced optical aberrations and low signal-to-noise ratio. By using adaptive optics to compensate for optical aberrations and a reconstruction algorithm tailored for a moving and thick tissue, we successfully applied SIM to in vivo retinal imaging and demonstrated structured illumination ophthalmoscopy for high contrast super-resolution in vivo imaging of the human retina.

研究动机与目标

• 为克服传统视网膜成像技术在实现超分辨率时面临的局限，同时保持高信噪比与大视野成像能力。
• 解决活体视网膜成像中的挑战，包括眼球运动、光学像差、散射效应以及低信噪比问题。
• 通过整合自适应光学与运动补偿重建技术，将结构光照明显微镜（SIM）拓展至活体人类视网膜成像。
• 在不依赖扫描式成像方法的前提下，实现无畸变、高对比度的视网膜超分辨率成像。

提出的方法

• 采用自适应光学（AO）校正眼内光学系统引起的像差，确保结构光照明显微镜图案在视网膜上的高对比度投射。
• 利用数字微镜器件（DMD）投射具有不同空间频率与方向的正弦条纹图案，将视网膜的高频特征调制至可检测带宽内。
• 基于最小二乘法拟合正弦模型的重建算法，从平均化的SIO帧中估计光照图案参数（频率、相位、对比度）。
• 通过在滤波后的宽场图像上进行亚像素配准，估算由眼球运动引起的视网膜位移，其中通过空间滤波去除光照图案。
• 利用高通滤波器处理宽场图像，以抑制低频光照非均匀性，从而校正背景不均匀性与散射效应。
• 通过将马赛克图像划分为重叠的64×64像素区域，计算各区域的模态间距，并应用双三次插值实现空间分辨率增强，生成视锥细胞密度图。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在眼内像差与眼球运动，结构光照明显微镜（SIO）是否能在活体人类视网膜中实现超分辨率成像？
• RQ2 自适应光学与抗运动重建算法如何协同提升活体视网膜成像的对比度与分辨率？
• RQ3 在厚层、散射性视网膜组织中，结构光照明显微镜在多大程度上能实现光学切片并保持空间保真度？
• RQ4 SIO与自适应光学结合是否能克服共焦扫描激光眼底镜（cSLO）固有的信噪比与分辨率权衡问题？

主要发现

• 该方法成功实现了人类黄斑区的超分辨率成像，达到亚微米分辨率，可在活体中分辨单个视锥光感受器。
• 自适应光学校正显著提升了所投射结构光照明显微镜图案的对比度与保真度，实现了有效的高频调制。
• 抗运动的重建算法有效补偿了由眼球运动引起的视网膜位移，保持了图像完整性且无畸变。
• 通过高通滤波进行背景校正，显著增强了视网膜结构的对比度，特别是黄斑区视锥细胞，有效抑制了光照非均匀性与散射效应。
• 重建后的SIO图像相比传统宽场成像，分辨率与光学切片能力均得到提升，细小视网膜结构的可见度显著增强。
• 与商用AO校正的共焦扫描激光眼底镜系统进行定量对比，证实SIO在无扫描引起的畸变条件下，可提供相当或更优的分辨率与对比度。