Quant Imaging Med Surg：多尺度、多对比度、无传感器的自适应光学OCT成像

视网膜微血管和视网膜色素上皮（RPE）在维持视网膜健康及代谢活动中发挥重要作用，具有很高的临床成像研究价值。研究人员Myeong Jin Ju等将偏振分集检测（polarization diversity detection, PDD）与多尺度、多对比度、无传感器的自适应光学OCT（MSC-SAO-OCT）相结合，开发出了一种新型的多对比度SAO-OCT系统，用于成像RPE中的色素及视网膜毛细血管中的血流。利用透射式可变形光学元件，依据图像质量进行像差校正。成像验证表明MSC-SAO-OCTA可在多视野（FOV）、可调数值孔径（NA）下进行。通过活体成像健康及病理状态眼后段的视网膜血流和RPE结构，验证了该系统的临床可行性。文章以“Multi-scale and -contrast sensorless adaptiveoptics optical coherence tomography”为题发表于Quant Imaging Med Surg。

背景
 

视网膜脉管系统是分层的，由多层毛细血管网络组成，一般分为浅毛细血管丛和深毛细血管丛。血管层为视网膜内侧提供氧气和营养物质，并清除视网膜代谢副产物，外侧视网膜则由脉络膜滋养。视网膜色素上皮（RPE）是紧邻绒毛膜毛细血管的单层细胞，为感光层提供代谢调节。常见的视网膜血管疾病由于损伤性质及部位的特殊性，其影响不固定，在糖尿病视网膜病变（DR）、年龄相关性黄斑变性（AMD）和色素上皮脱离（PED）等疾病状态中，从血管缺陷（血流阻塞、液体渗漏或血管破裂）到RPE结构紊乱（如RPE萎缩和脱离），都可能导致视力丧失或损害。因此直接显示并分割视网膜血管及RPE，具有很大的诊断价值。
 

光学相干断层扫描（OCT）是可获得高分辨率视网膜体积图像的非侵入式成像方式，已成为检测和研究视网膜疾病的重要工具。基于OCT的血管造影术（OCTA）进一步扩展了其在诊断中的临床应用。通过测量由运动细胞引起的OCT信号变化，OCTA可在不需要造影剂的情况下检查血流对比度以及视网膜脉管系统的层次结构。OCT的另一种对比形式是基于检测偏振的变化，称为偏振敏感OCT。Makita报道了一种称为pigment-and-flow OCT（PAF-OCT）的成像系统，能够通过测量偏振的随机性以及OCTA效应来产生一定程度的偏振均匀性（DOPU）对比度，PAF-OCT的主要附加硬件是偏振分集检测（polarization diversity detection, PDD）单元，最初用于琼斯矩阵OCT（JM-OCT）。但与JM-OCT不同的是，PAF-OCT使用单个输入偏振探测光束，通过噪声校正DOPU算法计算反射率。PAF-OCT系统可对正常和病理对象同时进行结构、色素和脉管系统成像，在眼科临床中展现出巨大应用潜力。
 

本文介绍了原始PAF-OCT系统的升级版本，该版本集成了无传感器自适应光学系统（SAO），可以执行多尺度和对比度的OCT成像。通过增加可变焦准直器、在样本臂中使用更大直径的透镜，多尺度、多对比度SAO-OCT（MSC-SAO-OCT）系统实现了动态探测光束直径可调，以适应从窄到宽的视场，对成像协议的影响最小，能够在单次成像会话中快速获取多尺度数据。透射自适应元件可很容易地集成到现有的OCT系统中，SAO可用于补偿较高数值孔径下的眼睛像差，以低成本和小改动提高视网膜结构的分辨率。通过健康和病理参与者的体内视网膜成像，验证并证明了MSC-SAO-OCT的临床实用性。
 

图1 MSC-SAO-OCT系统示意图。

图2 MSC-SAO-OCT图像处理。3 mm×3 mm FOV下采集样本数据，同一横向位置重复4次B-scan。比例尺250 μm。

结果

图3和4分别为中、小、宽FOV下的MSC-SAO-OCT图像处理结果。将视网膜脉管系统图像（黑色血管）叠加在RPE立视图上，OCTA成像提供的血流信号数据与多普勒超声造影（DOPU）提供的拓扑RPE信息相结合，获得的MSC图像主要用于观察内部视网膜结构，宽FOV的MSC图像主要关注外部视网膜结构。RPE立视图作为相对测量值，体积中RPE的最高点映射为红色，最低点映射为蓝色，曲率及层结构中的扰动在两个值之间呈现梯度。

图3 MSC-SAO-OCT图像处理示意。从3×3mm FOV，4次BM-scan提取样本数据。

图4 MSC-SAO-OCT图像处理及宽FOV图像处理步骤示意。

图5为一名健康参与者左眼的图像集，在给定扫描协议下，每个FOV条件下选择可使横向分辨率使最大化的NA。图5A为低NA的en face散射强度图像，覆盖从黄斑区到视神经头（ONH）。图5B-D分别为低、中到高NA的黄斑MSC图像（中），各自的波前像差校正分别通过VFL和MAL（上），以及视网膜结构界面（虚线位置）的DOPU B-scan进行（下）。在黑色素存在的情况下，DOPU值相对于周围组织较低。图5A中绿、红和蓝色边框为每个en face中可视区域的范围。图5B在RPE层下可看到一般的外部视网膜结构，而在图5C、D中，可看到视网膜脉管系统网络的完整层次围绕着视网膜中央凹。RPE拓扑表明眼睛健康，根据视网膜表面的曲率显示出微妙但连续的梯度，DOPU B-scan中平滑并连续的黑色素层也进一步支持该结论。
 

图5健康受试者的代表图像。（A）视网膜en face底面，从ONH到中央凹，FOV 9mm×9mm。（B-D）应用波前补偿，分别为给定NA（上）、以中央凹为中心的en face MSC图像（中）、白线处以9mm×9mm、6mm×6mm和3mm×3mm FOV的DOPU B-scna（下）。比例尺250μm。

对一例显示轻度视网膜中央凹玻璃疣也进行了MSC成像。图6A的散射强度en face图像显示中央凹处存在异常低信号区域，同一FOV的横截面DOPU对比图像（图6B）检测到相应位置的RPE脱离。以黄斑为中心进一步放大（图6B、C、D），MSC图像存在点变色（中）、DOPU截面存在RPE分离（下），位于图6A中异常区域，白色箭头指示玻璃疣位置。在多尺度的宽FOV下成像时，相对于视网膜的自然曲率，玻璃疣曲率的轻微提升很难观察到，但在放大图像中玻璃疣的形状很明显。MSC en face图像中的热点可指示玻璃疣相对于周围RPE的高度，而DOPU对比B-scan可显示RPE升高的变化，但不显示萎缩区域。这可能有助于显示湿性AMD的脉络膜新生血管程度和干性AMD的萎缩程度。

图6玻璃疣参与者的成像结果。

讨论与结论

 

01-利用多尺度成像进行DOPU评估
 

本文描述的MSC-SAO-OCT系统在已有的PAF-OCT系统的基础上集成了多尺度成像，通过调整探测光束直径，在多个NAs范围内采集图像。光束直径的变化使横向分辨率能与与期望的FOV匹配，而不需要对扫描协议进行重大修改。
 

受限于焦腰宽度，增加成像NA会导致成像深度变短。本项研究MSC成像聚焦于较小FOV的视网膜内部结构（图5D，6D），以获得OPL的最佳可视化效果，因此RPE有可能失焦，影响计算的DOPU值的完整性。然而最大横向分辨率6.02μm情况下，根据DOF_ZOCT = 2πΔx2 OCT/λ，系统的聚焦深度（DOF）约为215μm，足以覆盖从ILM到RPE的深度范围。为了验证，在视网膜上的相同位置连续获取高NA体积图，研究改变焦平面对DOPU测量的影响，焦点在视网膜内层到外层之间移动（图7）。从强度散射OCT横截面（图7A）来看，虽然在OPL聚焦的体积中视网膜内层更明显，但在RPE的两个体积间没有观察到明显的锐度变化。当观察PRE横截面（图7B）和沿RPE深度平均的en face DOPU投影（图7C）时，在RPE处显示出一致降低的值。焦点对准RPE层时（图7B），白色箭头处显示出比聚焦在OPL处稍蓝的颜色，表明等效位置处DOPU值较低的点，但这可能同样是由于运动或信号噪声波动，而不是由于定向光束的焦点引起。
 

当计算从这两个体积式RPE中提取计算出的DOPU值的直方图时（图7D，E），RPE聚焦数据的平均DOPU仅略低于OPL聚焦。此外，两个归一化直方图之间，欧几里德距离为0.0470，Kolmogorov–Smirnov距离为0.0351，几乎可以忽略不计，两个直方图具有很强的相关性，表明值具有相同分布。虽然当焦平面指向层本身时，通过DOPU对比可能有更明显的RPE分化的证据，但这种变化在统计学上并不显著。不管焦平面在黄斑内的位置如何，DOPU值都保持低于周围视网膜，从而确保MSC-SAO-OCT结果的可靠性。由于焦平面深度控制导致的DOPU量变化的程度和原因尚不清楚，严重RPE病变（如PED）测量值的变化也不清楚，这将是后续的研究重点。

图7同一横向位置OPL和RPE焦平面的成像结果比较，以测试与焦平面位置相关的DOPU值。（A）平均强度散射OCT图像。（B）DOPU对比度横截面，箭头指示RPE上的相同位置，不同的DOPU值，在RPE聚焦体积中降低。（C）沿层深度平均的分段RPE DOPU值的正面投影。（D, E）每个en face RPE投影的DOPU值直方图。OPL和RPE聚焦扫描的平均DOPU值分别为0.8503和0.8330。

02-可调NA的优势

本研究使用的FOV是为了符合临床标准而选择的。多尺度成像对应这些FOV各自选择了三种不同的NA设置，为了最大化分辨率，而不需要改变扫描协议中的样本数量。针对视网膜OCTA，研究了在单个FOV上改变NA的效果。图8显示了三个体积，在3mm× 3mm的FOV上采集，成像NA从低（A）、中（B）到高（C）变化。最上为图像采集过程中每个对应NA的2D重建波前校正，中和下分别为从OCTA体积和OCT体积中提取的深层毛细血管丛。使用VFL将焦平面设置为OPL，而MAL仅在最高NA下用于精细散焦和散光补偿。随着NA增大，OCTA en face中微血管可见性增加，紧围绕中央凹的血管仅在中高NA处可分辨（图8B，C）。此外随着NA的增加，OCTA中来自表层的投影伪影变少，显示出更大层选择性以及深层毛细血管丛更清晰的可视化。

图8以中央凹为中心的健康受试者的深部毛细血管丛图像，统一FOV（3 mm×3 mm）和不同NAs。SAO（上）、OCT（中）和OCT（下）应用2D重建波前校正。NAs从A-C逐渐增加。
 

作为一项演示MSC-SAO-OCT成像可行性的试点研究，本文演示了使用MSC在多个FOV下以高分辨率选择性地显示RPE结构的小形变。将层高度作为相对测量，像玻璃疣这样的微小结构很容易被视网膜的一般曲率忽略和淹没，而在较小的FOV中，它们可被突出显示，证明了多尺度成像的好处。通过使用RPE中黑色素颗粒的固有对比度，可以执行层分割，而不需要计算昂贵的分割算法。可靠的分割对于RPE内扰动的定位至关重要，使用DOPU对比来分离黑色素浓度对严重的层变形也不敏感，严重的层变形可能会导致基于强度的分割算法出现错误。为了将RPE的升高量化为一种绝对的测量方法，进行视网膜曲率展平可能有助于提高MSC OCT图像的清晰度。
 

利用该系统，在实时采集期间，MSC成像需要将OCT信号分成两个独立的V和H偏振通道。处理后这两个信号被重新组合，以匹配标准OCT的质量。但在实时采集过程中，通道被单独观察，暂时将信噪比降低到标准OCT的信噪比以下。使用四次而不是两次BM-scan是为了克服这一问题，从而提高OCTA数据的质量并便于实时图像采集。关于下一步正在对组件进行改进（如在MAL上的AR涂层），这能够减少BM-scan以减少图像采集时间而不损失质量。
 

这种概念验证模型的一个关键限制因素是获取时间。100kHz激光控制了所报告的扫描协议的选择，以最大限度地减少采集时间，以及参与者需要接受的注视训练。在每个FOV的横向分辨率下，所选择的扫描协议是可行体内采集时间的最小允许值，同时保持足够的采样密度，并且获得的体积证明了执行多尺度高分辨率成像的能力（图8）。本研究的下一步将用更高速度的扫频激光器取代光源（商用可达200kHz，400kHz的A-scan速率），这会缩短扫描时间。此外还可以整合额外的运动控制手段，以确保高质量、一致的MSC图像。
 

本研究扩展了基于透镜的SAO系统，实现每个FOV下以最大分辨率多模态、多尺度成像，实现在内部视网膜MSC可视化中表征视网膜脉管系统和RPE层的能力。以小改动、低成本满足临床功能。此外在大小FOV中可视化局部微血管，以及通过DOPU对比表征RPE的拓扑和变形，能够为视网膜病理研究提供很大帮助。MSC成像可能实现使用单一仪器检测和分析RPE层中度甚至细微的变形。

参考文献：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