光學相干斷層掃描(OCT)已成為一種具有廣泛應用于生物醫(yī)學成像的方式，特別是在眼科。眼睛是人體最容易光學接觸的器官，允許OCT用于測量視網(wǎng)膜結(jié)構，對于診斷和監(jiān)測諸如年齡相關性黃斑變性、糖尿病性視網(wǎng)膜病和青光眼等疾病的進展是意義重大的。

 

最近，我們報道了一種基于透鏡的SAO-OCT視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒有采用HS-WFS測量波前像差, 而是采用波前無傳感器自適應光學(SAO)優(yōu)化來驅(qū)動基于圖像質(zhì)量度量的波前校正元素的形狀.具有滿足臨床視網(wǎng)膜成像需求的潛力。利用兩個獨立的變形透鏡組件，一個可變焦距透鏡和一個多驅(qū)動器自適應透鏡來校正高達四徑向澤尼克多項式的像差。SAO算法與透射可變形透鏡的一個主要優(yōu)點是，在占地面積小的光學裝置中，系統(tǒng)設計可以與典型的基于透鏡的OCT系統(tǒng)兼容。然而，可變形元件的行程和沉降時間限制了像差校正的性能和速度。

 

由于可靠的像差校正性能和速度是臨床成像研究的關鍵要素，研究人員開發(fā)了新一代具有高沖程和高速變形鏡的SAO-OCT。根據(jù)制造商提供的規(guī)格，它具有69個執(zhí)行器、60個微米沖程和800μs建立時間，非線性誤差小于3%。利用光的偏振特性，該系統(tǒng)被設計成適合尺寸(12英寸:× 12英寸:)，而不影響成像性能。此外，通過使用可變焦的準直器，輸送到瞳孔的成像光束的直徑可以在不改變光學布局的情況下從1.7 mm調(diào)整到5.0 mm。這種可調(diào)節(jié)瞳孔大小的能力允許選擇使用該系統(tǒng)進行常規(guī)光學相干斷層掃描成像(橫向分辨率低的長成像深度)或高分辨率光學相干斷層掃描成像(橫向分辨率高的短成像深度)。通過采用多重b掃描(bm掃描)協(xié)議，也可以進行血管特異性對比成像。由于雙重模式，兩種不同的OCT- A成像模式可以使用相同的系統(tǒng)進行執(zhí)行和比較，一種是傳統(tǒng)OCT，另一種是SAO-OCT。在本文中，我們證明了多尺度SAO-OCT用于在體人視網(wǎng)膜成像的好處。

 

 

本研究中使用的SAO-OCT-A系統(tǒng)的總體示意圖如圖1(a)所示；它是之前報道的SAO-OCT系統(tǒng)的改進版本。在該系統(tǒng)中，采用了基于MEMSbased的掃頻源，其掃頻速率為200 kHz(Axsun TechnologyInc .)，占空比為78%，中心波長為1.06微米，光譜范圍為∞110nm。系統(tǒng)原理圖中有兩個干涉儀:相位穩(wěn)定單元(綠色光纖耦合器)和SAO-OCT干涉儀(藍色光纖耦合器)。相位穩(wěn)定是一個基于光纖的邁克爾遜干涉儀，它產(chǎn)生一個被稱為校準信號的固定干涉信號，使用相同的光學元件將色散失配降至zuidi。在樣品臂[如圖1(b)所示]中，來自可變焦準直器的探測光束將光導向偏振分束器，當S偏振光被反射時，P偏振光束穿過偏振分束器。這里，注意到只有P偏振被用于光學相干斷層掃描成像。通過調(diào)整準直器前的偏振控制器，控制兩個正交偏振態(tài)的光功率，使P偏振態(tài)的光zuidahua。通過PBS后，使用取向為45°的消色差零級四分之一波片(QWP)將P偏振的偏振面旋轉(zhuǎn)90°，由可變形反射鏡(DM；DM-69，ALPAO，法國)，并反向通過了QWP。該90°偏振面旋轉(zhuǎn)光束(S偏振光束)被PBS反射，并被導向樣品臂中的其余光學器件。光學相干斷層掃描和校準信號由相同的平衡光電探測器(新港公司1817型)檢測，并由ATS9350模數(shù)轉(zhuǎn)換器(加拿大AlazarTech)以500 MHz的采樣率進行數(shù)字化。為了獲得相位分辨的光學相干斷層掃描信號，由光源波長掃描和數(shù)字化之間的同步波動引起的光譜偏移通過來自后續(xù)A掃描的校準信號的互相關來估計，并通過基于估計結(jié)果對光譜進行重采樣來校正。在光譜采樣參數(shù)和平均探測功率為900 μW的情況下，深度由6 dB寬度定義的分辨率在空氣中測量為11微米[對應于組織中8.0微米的分辨率(n為1.38)]，并且在0.3至2.5 mm的深度范圍內(nèi)測量的1.05 dB∕mm的信號滾降下確定靈敏度為99.1 dB。有兩種不同的成像NA設置:低NA和高NA，在角膜處分別具有1.7和5.0mm的光束直徑。假設是22.2毫米眼睛的焦距和折射率為1.33對于1.06微米的水，橫向分辨率估計為10.6和3.6微米，低和高NAs分別由δxoct 0.51 λ∕na.14定義。

 

圖4顯示了在(a)低NA (1.7 mm)和(b)高NA (5.0 mm)設置下獲得的具有代表性的b掃描圖像。對于兩張b掃描圖像，焦點都設置在感光層。圖中右側(cè)的線圖為b掃描方向平均的強度圖;在圖4(a)的黃色虛線框內(nèi)，以及在圖4的整個b掃描。從平均強度分布圖的比較圖4(a)和圖4(b)中，在圖4(b)聚焦處的光感受器層觀察到一個更明顯的峰。圖5顯示了該系統(tǒng)在低NA、高NA和SAO優(yōu)化后的視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層(RNFL)的代表性結(jié)構數(shù)據(jù)。在低NA環(huán)境下，很難識別單個的神經(jīng)纖維束。高NA設置后，中度造影可觀察到神經(jīng)纖維束。

 

 

在用SAO算法校正像差后，各個束以高對比度清晰地可視化。多尺度成像性能的代表性結(jié)果如圖6所示。圖6(a)和圖6(b)顯示了從光感受器層中提取的15°× 15°FOV和6°× 6°FOV的人臉OCT圖像，這些圖像是在低NA設置下未經(jīng)SAO優(yōu)化獲得的。從人臉圖像中，可以觀察到一般的形態(tài)特征，如厚的視網(wǎng)膜血管和視神經(jīng)頭。在圖6(b)的某些位置，感光鑲嵌體清晰的圓形圖案不能清晰地顯現(xiàn)出來，而是主要觀察到隨機散斑圖案。相比之下，圖6(c)和圖6(d)顯示了5.0 mm直徑光束入射到角膜后獲得的分辨光感受器錐鑲嵌圖像，對應于圖6中的(c)紅色、(d)綠色和(e)藍色方框。經(jīng)過SAO優(yōu)化處理后，在3deg × 3 deg FOV圖像中，感光鑲嵌體得到了清晰的分辨。

 

通過計算體積數(shù)據(jù)中每組三次bm掃描的OCT信號方差，也可以從圖6所示的同一受試者數(shù)據(jù)集中提取出脈管系統(tǒng)的特定對比度，如圖7所示。在低NA(束徑1.7 mm)的血管造影圖像中，可以在圖7(a)中看到視網(wǎng)膜的整體血管形態(tài)，而在6 deg × 6 deg FOV OCT-A放大圖像中也不能清楚地看到外網(wǎng)狀層毛細血管(OPL)[圖7(b)]。另一方面，在使用5.0 mm光束iameter高分辨率成像模式獲得的圖像中，即使將焦點設置在視網(wǎng)膜外，也能更清楚地觀察到毛細血管[圖3]。7 (c) 7 (e)]。

 

在所有受試者的成像中，SAO像差校正至視網(wǎng)膜偏心至2.5度后，錐體感光鑲嵌體得以解決。我們注意到，光感受器并沒有嚴格要求AO可視化，特別是在大視網(wǎng)膜偏心和年輕健康受試者。在靠近中央凹的地方，特別是在臨床人群中，AO對于獲得足夠小的聚焦點來顯示鑲嵌體模式至關重要。在這個報告中，我們使用了一個相對較長的波長成像(1.06 μm)和5.0 mm光束具有掃描源OCT提供的較長的圖像深度和掃描速率，并在臨床人群中常見的潛在混濁角膜和人工晶狀體中獲得更好的透射。圖8為高NA成像模式在靠近中央凹處拍攝的具有代表性的多尺度功能OCT圖像。從15 deg × 15 deg FOV圖像[圖8(a)]，可以觀察到一般的形態(tài)特征和血管模式。

圖8 用SAO優(yōu)化過程進行像差校正后，5.0mm光束直徑的多尺度OCT和OCT-A成像結(jié)果。頂行和底行圖像是正面光學相干斷層掃描和背面光學相干斷層掃描圖像。(a)15°×15° FOV感光器和視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)圖像。和(c)分別為6°×6° FOV和3°×3° FOV感光器和OPL毛細管圖像。從受試者2 (25歲健康女性)左眼獲得的圖像。
 

 

通過計算體積數(shù)據(jù)內(nèi)每組三次BM掃描的OCT信號方差，也可以從圖6所示的同一受試者數(shù)據(jù)集中提取脈管系統(tǒng)特異性對比度，如圖7所示。從具有低NA (1.7 mm光束直徑)的血管造影圖像中，可以在圖7(a)中觀察到整個視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)模式，而外叢狀層(OPL)中的毛細血管即使在放大的6°×6° FOV OCT-A圖像中也不能清晰地可視化[圖7(b)]。另一方面，在用5.0毫米光束直徑高分辨率成像模式采集的圖像中，毛細血管被更清晰地觀察到，即使焦點被設置在外視網(wǎng)膜處[圖7(c)–7(e)]。
 

在所有被成像的受試者中，在將SAO像差校正到視網(wǎng)膜偏心度為2.5°后，錐體感光細胞鑲嵌得到解決。我們注意到，對光感受器進行可視化并不嚴格要求AO，尤其是在大的視網(wǎng)膜偏心率和年輕健康受試者的情況下。靠近視網(wǎng)膜中央凹，尤其是在臨床人群中，AO對于獲得足夠小的焦斑以顯示鑲嵌圖案至關重要。在本報告中，我們使用了相對較長的波長成像(1.06微米)和5.0毫米光束，具有掃描源光學相干斷層掃描提供的長圖像深度和掃描速率，以及通過臨床人群中常見的潛在混濁角膜和人工晶狀體的更好透射。圖8顯示了在高鈉成像模式下在視網(wǎng)膜中央凹附近拍攝的代表性多尺度功能性光學相干斷層掃描圖像。從15°×15°的FOV圖像[圖8(a)]，可以觀察到一般的形態(tài)特征和血管模式。
 

有趣的是，即使在6°×6° FOV圖像中欠采樣的情況下，我們?nèi)匀豢梢源笾驴吹礁泄怏w和薄毛細管的圓形形狀[圖8(b)]。在3°×3° FOV圖像內(nèi)[圖8(c)]，觀察到分辨率良好的感光體和更清晰的毛細血管。
 

光學相干斷層掃描檢測的高靈敏度允許容易地觀察到視網(wǎng)膜的整個厚度，甚至外層視網(wǎng)膜焦點位置的瑞利范圍之外的層。當用聚焦在光感受器上的高NA成像時，由于光束發(fā)散，內(nèi)視網(wǎng)膜處的成像探針直徑明顯更大。因此，對于此處呈現(xiàn)的SAOOCT-A圖像，毛細血管的外觀無法在全分辨率下獲得。盡管焦點位于外層視網(wǎng)膜，但深層毛細血管層(OPL的毛細血管)很容易觀察到，對比度很好，如圖7所示。相比之下，使用低NA設置成像時，深層毛細血管層的對比度較低。作為糖尿病視網(wǎng)膜病變早期變化的潛在部位，觀察深層毛細血管層的能力尤其令人感興趣。

此外，通過將焦點位置調(diào)整到視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層，也可以看到放射狀的毛細血管周圍。RPC通常是極長的細毛細血管，口徑變化很小，輻射結(jié)構平行于NFL軸突。RPC代表臨床醫(yī)生感興趣的附加神經(jīng)叢層。盡管文獻中有證據(jù)表明視網(wǎng)膜色素上皮細胞與視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(RGC)功能密切相關，并且其時間依賴性喪失是青光眼的特征，但在臨床上并不常見。這可能是因為無法可靠地可視化具有熒光血管造影術的RPCs，這是評價視網(wǎng)膜微血管的臨床標準，盡管它可能會變得更受歡迎，因為RPCs可以使用標準OCT-A進行評估。如圖9所示，我們可以使用SAO-OCT-A系統(tǒng)通過利用可縮放準直器進行高NA成像來可視化這種*的神經(jīng)叢。對于未來的研究，基于條帶的配準技術的使用可以用于增強我們的光學相干斷層掃描定量分析。

 

研究結(jié)論
 

本研究提出了一種多尺度SAO OCT，能夠在1.7 mm光束直徑入射到角膜的標準OCT模式和5.0 mm光束直徑入射到角膜的高NA-OCT模式下成像。利用光的偏振特性和一個可變形元件來改變?nèi)肷淙搜鄣牟ㄇ?，系統(tǒng)設計相對簡單和緊湊。SAO算法的性能在等平面斑塊中得到了驗證，顯示了清晰的光感受器鑲嵌圖像和形成Yellott環(huán)的空間頻率分布模式。結(jié)果表明，在視場為3°× 3°(900 μm × 900 μm)的視場面積大于等平面貼片的區(qū)域，像差校正是有效的。此外，通過應用多重bm掃描協(xié)議，驗證了SAO-OCT-A在兩種不同成像模式下的成像性能。從OCT-A成像結(jié)果來看，標準OCT-A成像可以在15°× 15°(4.5 mm × 4.5 mm)的FOV上看到血管，高分辨率OCT-A成像可以觀察到更詳細的血管和毛細血管。結(jié)果表明多尺度SAO-OCT-A系統(tǒng)具有很強的臨床應用潛力。
 

 

參考文獻：Myeong Jin Ju, Morgan Heisler, Daniel Wahl, Yifan Jian, Marinko V. Sarunic, “Multiscale sensorlessadaptive optics OCT angiography system for in vivo human retinal imaging,” J. Biomed. Opt.22(12), 121703 (2017)

 

DOI: 10.1117/1.JBO.22.12.121703.