視網(wǎng)膜微血管和視網(wǎng)膜色素上皮（RPE）在維持視網(wǎng)膜健康及代謝活動(dòng)中發(fā)揮重要作用，具有很高的臨床成像研究?jī)r(jià)值。研究人員Myeong Jin Ju等將偏振分集檢測(cè)（polarization diversity detection, PDD）與多尺度、多對(duì)比度、無傳感器的自適應(yīng)光學(xué)OCT（MSC-SAO-OCT）相結(jié)合，開發(fā)出了一種新型的多對(duì)比度SAO-OCT系統(tǒng)，用于成像RPE中的色素及視網(wǎng)膜毛細(xì)血管中的血流。利用透射式可變形光學(xué)元件，依據(jù)圖像質(zhì)量進(jìn)行像差校正。成像驗(yàn)證表明MSC-SAO-OCTA可在多視野（FOV）、可調(diào)數(shù)值孔徑（NA）下進(jìn)行。通過活體成像健康及病理狀態(tài)眼后段的視網(wǎng)膜血流和RPE結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的臨床可行性。文章以“Multi-scale and -contrast sensorless adaptiveoptics optical coherence tomography”為題發(fā)表于Quant Imaging Med Surg。
背景
視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)是分層的，由多層毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)組成，一般分為淺毛細(xì)血管叢和深毛細(xì)血管叢。血管層為視網(wǎng)膜內(nèi)側(cè)提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并清除視網(wǎng)膜代謝副產(chǎn)物，外側(cè)視網(wǎng)膜則由脈絡(luò)膜滋養(yǎng)。視網(wǎng)膜色素上皮（RPE）是緊鄰絨毛膜毛細(xì)血管的單層細(xì)胞，為感光層提供代謝調(diào)節(jié)。常見的視網(wǎng)膜血管疾病由于損傷性質(zhì)及部位的特殊性，其影響不固定，在糖尿病視網(wǎng)膜病變（DR）、年齡相關(guān)性黃斑變性（AMD）和色素上皮脫離（PED）等疾病狀態(tài)中，從血管缺陷（血流阻塞、液體滲漏或血管破裂）到RPE結(jié)構(gòu)紊亂（如RPE萎縮和脫離），都可能導(dǎo)致視力喪失或損害。因此直接顯示并分割視網(wǎng)膜血管及RPE，具有很大的診斷價(jià)值。
光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是可獲得高分辨率視網(wǎng)膜體積圖像的非侵入式成像方式，已成為檢測(cè)和研究視網(wǎng)膜疾病的重要工具�；贠CT的血管造影術(shù)（OCTA）進(jìn)一步擴(kuò)展了其在診斷中的臨床應(yīng)用。通過測(cè)量由運(yùn)動(dòng)細(xì)胞引起的OCT信號(hào)變化，OCTA可在不需要造影劑的情況下檢查血流對(duì)比度以及視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。OCT的另一種對(duì)比形式是基于檢測(cè)偏振的變化，稱為偏振敏感OCT。Makita報(bào)道了一種稱為pigment-and-flow OCT（PAF-OCT）的成像系統(tǒng)，能夠通過測(cè)量偏振的隨機(jī)性以及OCTA效應(yīng)來產(chǎn)生一定程度的偏振均勻性（DOPU）對(duì)比度，PAF-OCT的主要附加硬件是偏振分集檢測(cè)（polarization diversity detection, PDD）單元，最初用于瓊斯矩陣OCT（JM-OCT）。但與JM-OCT不同的是，PAF-OCT使用單個(gè)輸入偏振探測(cè)光束，通過噪聲校正DOPU算法計(jì)算反射率。PAF-OCT系統(tǒng)可對(duì)正常和病理對(duì)象同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、色素和脈管系統(tǒng)成像，在眼科臨床中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。
本文介紹了原始PAF-OCT系統(tǒng)的升級(jí)版本，該版本集成了無傳感器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)（SAO），可以執(zhí)行多尺度和對(duì)比度的OCT成像。通過增加可變焦準(zhǔn)直器、在樣本臂中使用更大直徑的透鏡，多尺度、多對(duì)比度SAO-OCT（MSC-SAO-OCT）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)探測(cè)光束直徑可調(diào)，以適應(yīng)從窄到寬的視場(chǎng)，對(duì)成像協(xié)議的影響最小，能夠在單次成像會(huì)話中快速獲取多尺度數(shù)據(jù)。透射自適應(yīng)元件可很容易地集成到現(xiàn)有的OCT系統(tǒng)中，SAO可用于補(bǔ)償較高數(shù)值孔徑下的眼睛像差，以低成本和小改動(dòng)提高視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的分辨率。通過健康和病理參與者的體內(nèi)視網(wǎng)膜成像，驗(yàn)證并證明了MSC-SAO-OCT的臨床實(shí)用性。
圖1 MSC-SAO-OCT系統(tǒng)示意圖。
圖2 MSC-SAO-OCT圖像處理。3 mm×3 mm FOV下采集樣本數(shù)據(jù)，同一橫向位置重復(fù)4次B-scan。比例尺250 μm。
結(jié)果
圖3和4分別為中、小、寬FOV下的MSC-SAO-OCT圖像處理結(jié)果。將視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)圖像（黑色血管）疊加在RPE立視圖上，OCTA成像提供的血流信號(hào)數(shù)據(jù)與多普勒超聲造影（DOPU）提供的拓?fù)銻PE信息相結(jié)合，獲得的MSC圖像主要用于觀察內(nèi)部視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，寬FOV的MSC圖像主要關(guān)注外部視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)。RPE立視圖作為相對(duì)測(cè)量值，體積中RPE的最高點(diǎn)映射為紅色，最低點(diǎn)映射為藍(lán)色，曲率及層結(jié)構(gòu)中的擾動(dòng)在兩個(gè)值之間呈現(xiàn)梯度。
圖3 MSC-SAO-OCT圖像處理示意。從3×3mm FOV，4次BM-scan提取樣本數(shù)據(jù)。
圖4 MSC-SAO-OCT圖像處理及寬FOV圖像處理步驟示意。
圖5為一名健康參與者左眼的圖像集，在給定掃描協(xié)議下，每個(gè)FOV條件下選擇可使橫向分辨率使最大化的NA。圖5A為低NA的en face散射強(qiáng)度圖像，覆蓋從黃斑區(qū)到視神經(jīng)頭（ONH）。圖5B-D分別為低、中到高NA的黃斑M(jìn)SC圖像（中），各自的波前像差校正分別通過VFL和MAL（上），以及視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)界面（虛線位置）的DOPU B-scan進(jìn)行（下）。在黑色素存在的情況下，DOPU值相對(duì)于周圍組織較低。圖5A中綠、紅和藍(lán)色邊框?yàn)槊總�(gè)en face中可視區(qū)域的范圍。圖5B在RPE層下可看到一般的外部視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，而在圖5C、D中，可看到視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的完整層次圍繞著視網(wǎng)膜中央凹。RPE拓?fù)浔砻餮劬】�，根�?jù)視網(wǎng)膜表面的曲率顯示出微妙但連續(xù)的梯度，DOPU B-scan中平滑并連續(xù)的黑色素層也進(jìn)一步支持該結(jié)論。
圖5健康受試者的代表圖像。（A）視網(wǎng)膜en face底面，從ONH到中央凹，F(xiàn)OV 9mm×9mm。（B-D）應(yīng)用波前補(bǔ)償，分別為給定NA（上）、以中央凹為中心的en face MSC圖像（中）、白線處以9mm×9mm、6mm×6mm和3mm×3mm FOV的DOPU B-scna（下）。比例尺250μm。
對(duì)一例顯示輕度視網(wǎng)膜中央凹玻璃疣也進(jìn)行了MSC成像。圖6A的散射強(qiáng)度en face圖像顯示中央凹處存在異常低信號(hào)區(qū)域，同一FOV的橫截面DOPU對(duì)比圖像（圖6B）檢測(cè)到相應(yīng)位置的RPE脫離。以黃斑為中心進(jìn)一步放大（圖6B、C、D），MSC圖像存在點(diǎn)變色（中）、DOPU截面存在RPE分離（下），位于圖6A中異常區(qū)域，白色箭頭指示玻璃疣位置。在多尺度的寬FOV下成像時(shí)，相對(duì)于視網(wǎng)膜的自然曲率，玻璃疣曲率的輕微提升很難觀察到，但在放大圖像中玻璃疣的形狀很明顯。MSC en face圖像中的熱點(diǎn)可指示玻璃疣相對(duì)于周圍RPE的高度，而DOPU對(duì)比B-scan可顯示RPE升高的變化，但不顯示萎縮區(qū)域。這可能有助于顯示濕性AMD的脈絡(luò)膜新生血管程度和干性AMD的萎縮程度。
圖6玻璃疣參與者的成像結(jié)果。
討論與結(jié)論
01-利用多尺度成像進(jìn)行DOPU評(píng)估
本文描述的MSC-SAO-OCT系統(tǒng)在已有的PAF-OCT系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集成了多尺度成像，通過調(diào)整探測(cè)光束直徑，在多個(gè)NAs范圍內(nèi)采集圖像。光束直徑的變化使橫向分辨率能與與期望的FOV匹配，而不需要對(duì)掃描協(xié)議進(jìn)行重大修改。
受限于焦腰寬度，增加成像NA會(huì)導(dǎo)致成像深度變短。本項(xiàng)研究MSC成像聚焦于較小FOV的視網(wǎng)膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖5D，6D），以獲得OPL的最佳可視化效果，因此RPE有可能失焦，影響計(jì)算的DOPU值的完整性。然而最大橫向分辨率6.02μm情況下，根據(jù)DOFZOCT = 2πΔx2 OCT/λ，系統(tǒng)的聚焦深度（DOF）約為215μm，足以覆蓋從ILM到RPE的深度范圍。為了驗(yàn)證，在視網(wǎng)膜上的相同位置連續(xù)獲取高NA體積圖，研究改變焦平面對(duì)DOPU測(cè)量的影響，焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜內(nèi)層到外層之間移動(dòng)（圖7）。從強(qiáng)度散射OCT橫截面（圖7A）來看，雖然在OPL聚焦的體積中視網(wǎng)膜內(nèi)層更明顯，但在RPE的兩個(gè)體積間沒有觀察到明顯的銳度變化。當(dāng)觀察PRE橫截面（圖7B）和沿RPE深度平均的en face DOPU投影（圖7C）時(shí)，在RPE處顯示出一致降低的值。焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)RPE層時(shí)（圖7B），白色箭頭處顯示出比聚焦在OPL處稍藍(lán)的顏色，表明等效位置處DOPU值較低的點(diǎn)，但這可能同樣是由于運(yùn)動(dòng)或信號(hào)噪聲波動(dòng)，而不是由于定向光束的焦點(diǎn)引起。
當(dāng)計(jì)算從這兩個(gè)體積式RPE中提取計(jì)算出的DOPU值的直方圖時(shí)（圖7D，E），RPE聚焦數(shù)據(jù)的平均DOPU僅略低于OPL聚焦。此外，兩個(gè)歸一化直方圖之間，歐幾里德距離為0.0470，Kolmogorov–Smirnov距離為0.0351，幾乎可以忽略不計(jì)，兩個(gè)直方圖具有很強(qiáng)的相關(guān)性，表明值具有相同分布。雖然當(dāng)焦平面指向?qū)颖旧頃r(shí)，通過DOPU對(duì)比可能有更明顯的RPE分化的證據(jù)，但這種變化在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并不顯著。不管焦平面在黃斑內(nèi)的位置如何，DOPU值都保持低于周圍視網(wǎng)膜，從而確保MSC-SAO-OCT結(jié)果的可靠性。由于焦平面深度控制導(dǎo)致的DOPU量變化的程度和原因尚不清楚，嚴(yán)重RPE病變（如PED）測(cè)量值的變化也不清楚，這將是后續(xù)的研究重點(diǎn)。
圖7同一橫向位置OPL和RPE焦平面的成像結(jié)果比較，以測(cè)試與焦平面位置相關(guān)的DOPU值。（A）平均強(qiáng)度散射OCT圖像。（B）DOPU對(duì)比度橫截面，箭頭指示RPE上的相同位置，不同的DOPU值，在RPE聚焦體積中降低。（C）沿層深度平均的分段RPE DOPU值的正面投影。（D, E）每個(gè)en face RPE投影的DOPU值直方圖。OPL和RPE聚焦掃描的平均DOPU值分別為0.8503和0.8330。
02-可調(diào)NA的優(yōu)勢(shì)
本研究使用的FOV是為了符合臨床標(biāo)準(zhǔn)而選擇的。多尺度成像對(duì)應(yīng)這些FOV各自選擇了三種不同的NA設(shè)置，為了最大化分辨率，而不需要改變掃描協(xié)議中的樣本數(shù)量。針對(duì)視網(wǎng)膜OCTA，研究了在單個(gè)FOV上改變NA的效果。圖8顯示了三個(gè)體積，在3mm× 3mm的FOV上采集，成像NA從低（A）、中（B）到高（C）變化。最上為圖像采集過程中每個(gè)對(duì)應(yīng)NA的2D重建波前校正，中和下分別為從OCTA體積和OCT體積中提取的深層毛細(xì)血管叢。使用VFL將焦平面設(shè)置為OPL，而MAL僅在最高NA下用于精細(xì)散焦和散光補(bǔ)償。隨著NA增大，OCTA en face中微血管可見性增加，緊圍繞中央凹的血管僅在中高NA處可分辨（圖8B，C）。此外隨著NA的增加，OCTA中來自表層的投影偽影變少，顯示出更大層選擇性以及深層毛細(xì)血管叢更清晰的可視化。
圖8以中央凹為中心的健康受試者的深部毛細(xì)血管叢圖像，統(tǒng)一FOV（3 mm×3 mm）和不同NAs。SAO（上）、OCT（中）和OCT（下）應(yīng)用2D重建波前校正。NAs從A-C逐漸增加。
作為一項(xiàng)演示MSC-SAO-OCT成像可行性的試點(diǎn)研究，本文演示了使用MSC在多個(gè)FOV下以高分辨率選擇性地顯示RPE結(jié)構(gòu)的小形變。將層高度作為相對(duì)測(cè)量，像玻璃疣這樣的微小結(jié)構(gòu)很容易被視網(wǎng)膜的一般曲率忽略和淹沒，而在較小的FOV中，它們可被突出顯示，證明了多尺度成像的好處。通過使用RPE中黑色素顆粒的固有對(duì)比度，可以執(zhí)行層分割，而不需要計(jì)算昂貴的分割算法。可靠的分割對(duì)于RPE內(nèi)擾動(dòng)的定位至關(guān)重要，使用DOPU對(duì)比來分離黑色素濃度對(duì)嚴(yán)重的層變形也不敏感，嚴(yán)重的層變形可能會(huì)導(dǎo)致基于強(qiáng)度的分割算法出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了將RPE的升高量化為一種絕對(duì)的測(cè)量方法，進(jìn)行視網(wǎng)膜曲率展平可能有助于提高M(jìn)SC OCT圖像的清晰度。
利用該系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)采集期間，MSC成像需要將OCT信號(hào)分成兩個(gè)獨(dú)立的V和H偏振通道。處理后這兩個(gè)信號(hào)被重新組合，以匹配標(biāo)準(zhǔn)OCT的質(zhì)量。但在實(shí)時(shí)采集過程中，通道被單獨(dú)觀察，暫時(shí)將信噪比降低到標(biāo)準(zhǔn)OCT的信噪比以下。使用四次而不是兩次BM-scan是為了克服這一問題，從而提高OCTA數(shù)據(jù)的質(zhì)量并便于實(shí)時(shí)圖像采集。關(guān)于下一步正在對(duì)組件進(jìn)行改進(jìn)（如在MAL上的AR涂層），這能夠減少BM-scan以減少圖像采集時(shí)間而不損失質(zhì)量。
這種概念驗(yàn)證模型的一個(gè)關(guān)鍵限制因素是獲取時(shí)間。100kHz激光控制了所報(bào)告的掃描協(xié)議的選擇，以最大限度地減少采集時(shí)間，以及參與者需要接受的注視訓(xùn)練。在每個(gè)FOV的橫向分辨率下，所選擇的掃描協(xié)議是可行體內(nèi)采集時(shí)間的最小允許值，同時(shí)保持足夠的采樣密度，并且獲得的體積證明了執(zhí)行多尺度高分辨率成像的能力（圖8）。本研究的下一步將用更高速度的掃頻激光器取代光源（商用可達(dá)200kHz，400kHz的A-scan速率），這會(huì)縮短掃描時(shí)間。此外還可以整合額外的運(yùn)動(dòng)控制手段，以確保高質(zhì)量、一致的MSC圖像。
本研究擴(kuò)展了基于透鏡的SAO系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)FOV下以最大分辨率多模態(tài)、多尺度成像，實(shí)現(xiàn)在內(nèi)部視網(wǎng)膜MSC可視化中表征視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)和RPE層的能力。以小改動(dòng)、低成本滿足臨床功能。此外在大小FOV中可視化局部微血管，以及通過DOPU對(duì)比表征RPE的拓?fù)浜妥冃�，能夠�(yàn)橐暰W(wǎng)膜病理研究提供很大幫助。MSC成像可能實(shí)現(xiàn)使用單一儀器檢測(cè)和分析RPE層中度甚至細(xì)微的變形。
參考文獻(xiàn)：Multi-scale and -contrast sensorless adaptiveoptics optical coherence tomography.,Quant Imaging Med Surg 2019;9(5):757-768 DOI:10.21037/qims.2019.05.17
