無波前傳感器自適應光學相干斷層成像在人視錐細胞鑲嵌體活體成像中的應用

1、Word文檔 無波前傳感器自適應光學相干斷層成像在人視錐細胞鑲嵌體活體成像中的應用 無波前傳感器自適應光學相干斷層成像（WSAO-OCT）是一種用于體內高辨別率、深度辨別成像的新型成像技術，它改善了基于傳感器的自適應光學設計中的一些問題。這項技術用深度辨別、圖像驅動的優(yōu)化算法取代了Hartmann-Shack波前傳感器，其度量基于實時獵取的OCT體積。本討論中，Kevin S. K. Wong等使用必需的定制超高速GPU處理平臺和快速模式優(yōu)化算法，實現(xiàn)了人視網(wǎng)膜的實時、體內、無波前傳感器AO校正成像。WSAO-OCT尤其有助于開發(fā)臨床高辨別率視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，基于其能夠允許使用緊湊、低成本且穩(wěn)健

2、的透鏡自適應光學設計。本文將WSAO-OCT系統(tǒng)用于人感光細胞鑲嵌體體內成像，通過對視網(wǎng)膜上的幾個偏心點成像，對該系統(tǒng)性能進行了驗證，并證明白WSAO補償能夠改善對光感受器的可見度。文章以“背景 在大數(shù)值孔徑（NA）（大成像瞳孔）的高辨別率活體視網(wǎng)膜成像中，自適應光學（AO）至關重要。AO已與各種眼部成像技術相結合，通過校正光學像差來獲得衍射極限辨別率。眼底攝影術和掃描激光眼底鏡術（SLO）是兩個AO生物醫(yī)學應用的實例，通過AO能夠對錐狀和桿狀光感受器鑲嵌體進行牢靠成像。光學相干斷層掃描（OCT）與AO相結合也可實現(xiàn)高辨別率體積成像。傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)在不應用OA的狀況下盡管也能對健康參加者的錐形

3、感光器成像，但在中央凹四周的視網(wǎng)膜偏心處（2)或是有眼部缺陷及較大像差的病人中，并不能牢靠成像。大NA的視網(wǎng)膜成像固有地放大了參加者眼睛像差的影響，從而影響辨別率。AO的目標是用自適應元件，如變形鏡（DM），補償這些光學像差，而變形鏡通常由連接在反饋AO校正回路中的波前傳感器（WFS）掌握。帶有波前傳感器的閉環(huán)AO配置已被用于大多數(shù)AO檢眼鏡中。但波前傳感器也存在一些問題，如非共路像差、波前光斑中心化和波前畸變等，假如忽視這些可能會影響AO校正性能。此外對背面反射的敏感性也是WFS的另一個限制因素。大多數(shù)AO系統(tǒng)使用球面鏡減輕背面反射，但在離軸配置中球面鏡會導致較大的系統(tǒng)像差，通?？墒褂瞄L焦距

4、鏡減小像差，球面鏡望遠鏡的非平面折疊是削減系統(tǒng)像差的一種方法，并且用這種AO-SLO系統(tǒng)已經(jīng)勝利成像并辨別出了人桿狀和中央凹錐狀感受器。有討論提出一種基于透鏡的AO-SLO設計，使用偏振技術削減WFS中的后向反射，以替代球面鏡系統(tǒng)，獲得的性能與非平面折疊望遠鏡類似。已知波前無傳感器自適應光學（WSAO）是一種很穩(wěn)健策略，可規(guī)避傳統(tǒng)基于傳感器的自適應光學系統(tǒng)的局限性。無傳感器自適應光學技術已應用于人體內SLO成像系統(tǒng)，有討論將其與相應的波前傳感器AO-SLO進行了定量比較，盡管無傳感器方法的收斂時間相對較長，但基于圖像的該系統(tǒng)產生的圖像質量至少能夠與波前傳感器SLO獲得的圖像質量相當。 之前展現(xiàn)

5、過一種用于小動物成像的WSAO-OCT系統(tǒng)，在色素鎮(zhèn)靜和白化小鼠身上進行了展現(xiàn)和評估。使用DM的模態(tài)掌握開發(fā)了WSAO-OCT技術，使收斂速度更快。系統(tǒng)的A-scan采集速率為100kHz，整個優(yōu)化過程需要約60s。雖然這一采集和優(yōu)化速度足以對麻醉小鼠進行成像，但由于眼和頭的不自主運動、刺眼和參加者疲憊，其速度還不足以牢靠地用于人活體視網(wǎng)膜成像。 而本文描述了一種用于人體視網(wǎng)膜感光層活體成像的WSAO-OCT系統(tǒng)。介紹了WSAO-OCT光學系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)采集處理平臺的設計，描述了為人類視網(wǎng)膜成像量身定制的WSAO-OCT優(yōu)化過程，通過從視神經(jīng)頭四周和沿上經(jīng)絡的不同視網(wǎng)膜偏心處獲得的活體OCT體

6、積重建，獲得了人光感受器鑲嵌體正面圖像。 結果 01-WSAO-OCT圖像辨別率 在像差校正之前評估光學系統(tǒng)的質量。在樣品臂中放置一個成像模型代替人眼，該模型由一個30mm焦距空氣間隔消色差透鏡和一個美國空軍（USAF）辨別率靶標組成。用一個扁平變形鏡給第6組和第7組靶標成像。采集的體積視圖由102420080個體素組成，以模擬成像條件。系統(tǒng)在空氣中幻影的光斑大小為1/e02-使用WSAO-OCT成像人視網(wǎng)膜 作為性能演示，展現(xiàn)了在優(yōu)化過程之前、期間和之后獲得的圖像。在WSAO優(yōu)化前，用頭部支架和固定靶穩(wěn)定參加者。手動定位鏡頭L10以zuidahua感光層的強度。圖3為優(yōu)化Zernike模式3

7、（散光）過程中的圖4參加者1視網(wǎng)膜偏心度約3.0的視錐細胞圖像。視野為1.00.4。比例尺50 m。圖5 WSAO優(yōu)化前后en face圖像中光感受器可見性的比較。左欄是B-scan的比較，右欄是在IS/OS層生成的en face圖像比較。NFL：神經(jīng)纖維層；IS/OS，內外段；RPE：視網(wǎng)膜色素上皮；BM：Bruchs膜。en face圖像視野為1.30.6。比例尺50m。圖6在非水晶體瞳孔中沿上經(jīng)絡獲得的視錐細胞鑲嵌體圖像。在四個視網(wǎng)膜偏心處獲得以比較：5.1、2.2、1.6和1.0。視野1.00.4。比例尺50m。結論 本文使用基于透鏡的光學成像系統(tǒng)和模態(tài)優(yōu)化算法，結合超高速GPU處理平

8、臺，將WSAO-OCT實時用于人類視網(wǎng)膜成像。OCT獵取人感光器鑲嵌體圖像且WSAO優(yōu)化后，圖像質量得到了提升。利用WSAO-OCT，在偏心率1.5的狀況下也能夠可視化感光器鑲嵌體。 在波前傳感不行靠時，WSAO-OCT在細胞辨別率視網(wǎng)膜成像上有潛在優(yōu)勢。雖然WSAO-OCT的收斂時間比傳統(tǒng)WFS成像慢（意味著它目前無法訂正淚膜動力學），但臨床成像中，AO成像往往也存在其他障礙，如波前傳感常受到波前傳感器檢測器的設計和性能影響、沒有明確的AO參考面（在病變視網(wǎng)膜區(qū)域或視神經(jīng)頭上），且從成像系統(tǒng)光學表面反射的光也會有影響。臨床中不規(guī)章瞳孔和視網(wǎng)膜結構、白內障或眼睛不透亮增加也會影響波前數(shù)據(jù)的牢靠

9、性。在波前測量精度有限的狀況下，WSAO-OCT有可能用于獲得高辨別率圖像，由于WSAO-OCT僅依靠于獲得的圖像，而不依靠于波前測量。WSAO-OCT成像的另一個優(yōu)點是，它不需要一個精確定義的共軛平面來進行波前探測。這一特征使WSAO-OCT能夠在接近非平面的視網(wǎng)膜結構，如視神經(jīng)頭或yinbing理轉變而扭曲的視網(wǎng)膜時，仍以高辨別率牢靠地工作。本討論采納WSAO-OCT系統(tǒng)與非散瞳參加者進行試驗作概念驗證，將來將進行一項與眼科臨床醫(yī)生合作關于散瞳患者的更大規(guī)模討論。為了適應臨床環(huán)境，需要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行一些修改：模態(tài)掌握無波前傳感器算法實現(xiàn)了快速優(yōu)化，但與傳統(tǒng)的基于傳感器的AO眼科成像系統(tǒng)相比

10、，它的收斂時間更長；WSAO優(yōu)化過程中的運動偽影會影響像差校正的質量，任何由淚膜變化引起的眼像差微小波動都不能用本文報道的設置進行解釋和訂正；雖然通過提高圖像采集速率和削減校正的Zernike模式的數(shù)量，可將收斂時間縮短到6-12s，但仍需進一步改進。削減優(yōu)化時間的一個可能方法是使用更快的成像系統(tǒng)，如兆赫OCT，將使當前的幀速率提高510倍。實時刺眼檢測和/或瞳孔跟蹤等算法改進也是削減運動偽影影響的潛在解決方案。 本文選擇將重點放在光感受器層，以展現(xiàn)WSAO-OCT的力量。隨著可用GPU的計算力量不斷增長，可以添加一種實時分割算法，以實現(xiàn)特定層的像差校正。這也可能有利于可視化具有較弱散射特征的視網(wǎng)膜層，例如內核層和外核層。為了提高橫向辨別率和觀看視網(wǎng)膜中較小的細胞結構，如視桿細胞和中央凹錐細胞，需要增加NA。這需要使用局部散瞳劑，如苯腎上腺素和托吡卡胺，以便能夠用更大直徑的光束成像。使用托吡卡胺的另一個好處是會使參加者眼睛的睫狀肌麻痹，導致調整反射丟失，削減對優(yōu)化算法的干擾。然而較高NA成像也會引入額外的眼像差，并且需要更大沖程的DM和更多節(jié)段，以便在低階和高階Zernike模式下勝利校正像差。另外，一個用于將低階和高階Zernike模式分別到兩個