視網膜微血管和視網膜色素上皮（RPE）在維持視網膜健康及代謝活動中發揮重要作用，具有很高的臨床成像研究價值。研究人員Myeong Jin Ju等將偏振分集檢測（polarization diversity detection, PDD）與多尺度、多對比度、無傳感器的自適應光學OCT（MSC-SAO-OCT）相結合，開發出了一種新型的多對比度SAO-OCT系統，用于成像RPE中的色素及視網膜毛細血管中的血流。利用透射式可變形光學元件，依據圖像質量進行像差校正。成像驗證表明MSC-SAO-OCTA可在多視野（FOV）、可調數值孔徑（NA）下進行。通過活體成像健康及病理狀態眼后段的視網膜血流和RPE結構，驗證了該系統的臨床可行性。文章以“Multi-scale and -contrast sensorless adaptiveoptics optical coherence tomography"為題發表于Quant Imaging Med Surg。
背景
視網膜脈管系統是分層的，由多層毛細血管網絡組成，一般分為淺毛細血管叢和深毛細血管叢。血管層為視網膜內側提供氧氣和營養物質，并清除視網膜代謝副產物，外側視網膜則由脈絡膜滋養。視網膜色素上皮（RPE）是緊鄰絨毛膜毛細血管的單層細胞，為感光層提供代謝調節。常見的視網膜血管疾病由于損傷性質及部位的特殊性，其影響不固定，在糖尿病視網膜病變（DR）、年齡相關性黃斑變性（AMD）和色素上皮脫離（PED）等疾病狀態中，從血管缺陷（血流阻塞、液體滲漏或血管破裂）到RPE結構紊亂（如RPEweisuo和脫離），都可能導致視力喪失或損害。因此直接顯示并分割視網膜血管及RPE，具有很大的診斷價值。
光學相干斷層掃描（OCT）是可獲得高分辨率視網膜體積圖像的非侵入式成像方式，已成為檢測和研究視網膜疾病的重要工具。基于OCT的血管造影術（OCTA）進一步擴展了其在診斷中的臨床應用。通過測量由運動細胞引起的OCT信號變化，OCTA可在不需要造影劑的情況下檢查血流對比度以及視網膜脈管系統的層次結構。OCT的另一種對比形式是基于檢測偏振的變化，稱為偏振敏感OCT。Makita報道了一種稱為pigment-and-flow OCT（PAF-OCT）的成像系統，能夠通過測量偏振的隨機性以及OCTA效應來產生一定程度的偏振均勻性（DOPU）對比度，PAF-OCT的主要附加硬件是偏振分集檢測（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使用單個輸入偏振探測光束，通過噪聲校正DOPU算法計算反射率。PAF-OCT系統可對正常和病理對象同時進行結構、色素和脈管系統成像，在眼科臨床中展現出巨大應用潛力。
本文介紹了原始PAF-OCT系統的升級版本，該版本集成了無傳感器自適應光學系統（SAO），可以執行多尺度和對比度的OCT成像。通過增加可變焦準直器、在樣本臂中使用更大直徑的透鏡，多尺度、多對比度SAO-OCT（MSC-SAO-OCT）系統實現了動態探測光束直徑可調，以適應從窄到寬的視場，對成像協議的影響最小，能夠在單次成像會話中快速獲取多尺度數據。透射自適應元件可很容易地集成到現有的OCT系統中，SAO可用于補償較高數值孔徑下的眼睛像差，以低成本和小改動提高視網膜結構的分辨率。通過健康和病理參與者的體內視網膜成像，驗證并證明了MSC-SAO-OCT的臨床實用性。
圖1 MSC-SAO-OCT系統示意圖。
圖2 MSC-SAO-OCT圖像處理。3 mm×3 mm FOV下采集樣本數據，同一橫向位置重復4次B-scan。比例尺250 μm。
結果
圖3和4分別為中、小、寬FOV下的MSC-SAO-OCT圖像處理結果。將視網膜脈管系統圖像（黑色血管）疊加在RPE立視圖上，OCTA成像提供的血流信號數據與多普勒超聲造影（DOPU）提供的拓撲RPE信息相結合，獲得的MSC圖像主要用于觀察內部視網膜結構，寬FOV的MSC圖像主要關注外部視網膜結構。RPE立視圖作為相對測量值，體積中RPE的最高點映射為紅色, zuidi點映射為藍色，曲率及層結構中的擾動在兩個值之間呈現梯度。
圖3 MSC-SAO-OCT圖像處理示意。從3×3mm FOV，4次BM-scan提取樣本數據。
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，在給定掃描協議下，每個FOV條件下選擇可使橫向分辨率使zuidahua的NA。圖5A為低NA的en face散射強度圖像，覆蓋從黃斑區到視神經頭（ONH）。圖5B-D分別為低、中到高NA的黃斑MSC圖像（中），各自的波前像差校正分別通過VFL和MAL（上），以及視網膜結構界面（虛線位置）的DOPU B-scan進行（下）。在黑色素存在的情況下，DOPU值相對于周圍組織較低。圖5A中綠、紅和藍色邊框為每個en face中可視區域的范圍。圖5B在RPE層下可看到一般的外部視網膜結構，而在圖5C、D中，可看到視網膜脈管系統網絡的完整層次圍繞著視網膜中央凹。RPE拓撲表明眼睛健康，根據視網膜表面的曲率顯示出微妙但連續的梯度，DOPU B-scan中平滑并連續的黑色素層也進一步支持該結論。
圖5健康受試者的代表圖像。（A）視網膜en face底面，從ONH到中央凹，FOV 9mm×9mm。（B-D）應用波前補償，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。
對一例顯示輕度視網膜中央凹玻璃疣也進行了MSC成像。圖6A的散射強度en face圖像顯示中央凹處存在異常低信號區域，同一FOV的橫截面DOPU對比圖像（圖6B）檢測到相應位置的RPE脫離。以黃斑為中心進一步放大（圖6B、C、D），MSC圖像存在點變色（中）、DOPU截面存在RPE分離（下），位于圖6A中異常區域，白色箭頭指示玻璃疣位置。在多尺度的寬FOV下成像時，相對于視網膜的自然曲率，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圖像中的熱點可指示玻璃疣相對于周圍RPE的高度，而DOPU對比B-scan可顯示RPE升高的變化，但不顯示weisuo區域。這可能有助于顯示濕性AMD的脈絡膜新生血管程度和干性AMD的weisuo程度。
圖6玻璃疣參與者的成像結果。
討論與結論
01-利用多尺度成像進行DOPU評估
本文描述的MSC-SAO-OCT系統在已有的PAF-OCT系統的基礎上集成了多尺度成像，通過調整探測光束直徑，在多個NAs范圍內采集圖像。光束直徑的變化使橫向分辨率能與與期望的FOV匹配，而不需要對掃描協議進行重大修改。
受限于焦腰寬度，增加成像NA會導致成像深度變短。本項研究MSC成像聚焦于較小FOV的視網膜內部結構（圖5D，6D），以獲得OPL的最佳可視化效果，因此RPE有可能失焦，影響計算的DOPU值的完整性。然而最大橫向分辨率6.02μm情況下，根據DOFZOCT = 2πΔx2 OCT/λ，系統的聚焦深度（DOF）約為215μm，足以覆蓋從ILM到RPE的深度范圍。為了驗證，在視網膜上的相同位置連續獲取高NA體積圖，研究改變焦平面對DOPU測量的影響，焦點在視網膜內層到外層之間移動（圖7）。從強度散射OCT橫截面（圖7A）來看，雖然在OPL聚焦的體積中視網膜內層更明顯，但在RPE的兩個體積間沒有觀察到明顯的銳度變化。當觀察PRE橫截面（圖7B）和沿RPE深度平均的en face DOPU投影（圖7C）時，在RPE處顯示出一致降低的值。焦點對準RPE層時（圖7B），白色箭頭處顯示出比聚焦在OPL處稍藍的顏色，表明等效位置處DOPU值較低的點，但這可能同樣是由于運動或信號噪聲波動，而不是由于定向光束的焦點引起。
當計算從這兩個體積式RPE中提取計算出的DOPU值的直方圖時（圖7D，E），RPE聚焦數據的平均DOPU僅略低于OPL聚焦。此外，兩個歸一化直方圖之間，歐幾里德距離為0.0470，Kolmogorov–Smirnov距離為0.0351，幾乎可以忽略不計，兩個直方圖具有很強的相關性，表明值具有相同分布。雖然當焦平面指向層本身時，通過DOPU對比可能有更明顯的RPE分化的證據，但這種變化在統計學上并不顯著。不管焦平面在黃斑內的位置如何，DOPU值都保持低于周圍視網膜，從而確保MSC-SAO-OCT結果的可靠性。由于焦平面深度控制導致的DOPU量變化的程度和原因尚不清楚，嚴重RPE病變（如PED）測量值的變化也不清楚，這將是后續的研究重點。
圖7同一橫向位置OPL和RPE焦平面的成像結果比較，以測試與焦平面位置相關的DOPU值。（A）平均強度散射OCT圖像。（B）DOPU對比度橫截面，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NA的優勢
本研究使用的FOV是為了符合臨床標準而選擇的。多尺度成像對應這些FOV各自選擇了三種不同的NA設置，為了zuidahua分辨率，而不需要改變掃描協議中的樣本數量。針對視網膜OCTA，研究了在單個FOV上改變NA的效果。圖8顯示了三個體積，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對應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血管叢。使用VFL將焦平面設置為OPL，而MAL僅在最高NA下用于精細散焦和散光補償。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血管叢圖像，統一FOV（3 mm×3 mm）和不同NAs。SAO（上）、OCT（中）和OCT（下）應用2D重建波前校正。NAs從A-C逐漸增加。
作為一項演示MSC-SAO-OCT成像可行性的試點研究，本文演示了使用MSC在多個FOV下以高分辨率選擇性地顯示RPE結構的小形變。將層高度作為相對測量，像玻璃疣這樣的微小結構很容易被視網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比度，可以執行層分割，而不需要計算昂貴的分割算法。可靠的分割對于RPE內擾動的定位至關重要，使用DOPU對比來分離黑色素濃度對嚴重的層變形也不敏感，嚴重的層變形可能會導致基于強度的分割算法出現錯誤。為了將RPE的升高量化為一種絕對的測量方法，進行視網膜曲率展平可能有助于提高MSC OCT圖像的清晰度。
利用該系統，在實時采集期間，MSC成像需要將OCT信號分成兩個獨立的V和H偏振通道。處理后這兩個信號被重新組合，以匹配標準OCT的質量。但在實時采集過程中，通道被單獨觀察，暫時將信噪比降低到標準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數據的質量并便于實時圖像采集。關于下一步正在對組件進行改進（如在MAL上的AR涂層），這能夠減少BM-scan以減少圖像采集時間而不損失質量。
這種概念驗證模型的一個關鍵限制因素是獲取時間。100kHz激光控制了所報告的掃描協議的選擇，以最大限度地減少采集時間，以及參與者需要接受的注視訓練。在每個FOV的橫向分辨率下，所選擇的掃描協議是可行體內采集時間的最小允許值，同時保持足夠的采樣密度，并且獲得的體積證明了執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200kHz，400kHz的A-scan速率），這會縮短掃描時間。此外還可以整合額外的運動控制手段，以確保高質量、一致的MSC圖像。
本研究擴展了基于透鏡的SAO系統，實現每個FOV下以最大分辨率多模態、多尺度成像，實現在內部視網膜MSC可視化中表征視網膜脈管系統和RPE層的能力。以小改動、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對比表征RPE的拓撲和變形，能夠為視網膜病理研究提供很大幫助。MSC成像可能實現使用單一儀器檢測和分析RPE層中度甚至細微的變形。
參考文獻：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
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