下一代低成本光学相干断层扫描技术的发展及其在视网膜成像中的应用

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低成本光学相干断层扫描（OCT）系统的下一代发展：提升视网膜成像的临床应用

学术背景

光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）是一种非侵入性、高分辨率的成像技术，广泛应用于眼科领域，尤其是视网膜疾病的诊断。然而，现有的商用OCT系统价格昂贵（4万至15万美元），限制了其在资源匮乏地区的应用。为了扩大OCT技术的可及性，研究人员致力于开发低成本OCT系统，以在临床护理点（point-of-care）提供高质量的视网膜成像。本文介绍了一种下一代低成本OCT系统，通过改进硬件设计和图像处理算法，显著提升了成像性能，使其在临床应用中更具竞争力。

论文来源

本文由Duke大学生物医学工程系的Hillel B. Price、Ge Song、Wan Wang等研究人员共同撰写，发表于2025年2月1日的《Biomedical Optics Express》期刊（第16卷第2期）。研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）的资助。

研究流程与细节

1. 系统设计与硬件改进

研究团队开发了三代低成本OCT系统（Gen 1、Gen 2、Gen 3），每一代都在硬件和软件上进行了显著改进。Gen 1系统通过3D打印和定制电子元件降低了成本，但其成像性能与商用系统（如Heidelberg Spectralis）相比仍有差距。Gen 2系统引入了硬件改进，包括稳定的超辐射发光二极管（Superluminescent Diode, SLD）输出功率、更高的A-line速率（40 kHz）以及改进的光谱仪设计。Gen 3系统进一步引入了平衡检测（balanced detection）技术，显著提升了信号恢复和噪声抑制能力。

  • Gen 1系统：使用无温控的SLD光源和3D打印的光谱仪外壳，成本为5037美元。
  • Gen 2系统：引入了温控SLD和更快的相机，成本为6097美元。
  • Gen 3系统：增加了第二个光谱仪和平衡检测技术，成本为9522美元。

2. 图像处理算法

为了提升图像质量，研究团队开发了一种自参考直方图匹配（self-referenced histogram matching, HM）算法。该算法通过模糊处理生成参考直方图，并对原始图像进行直方图匹配，从而在不牺牲分辨率的情况下提升对比度噪声比（Contrast-to-Noise Ratio, CNR）。此外，Gen 3系统还引入了深度依赖的背景噪声校正，进一步提升了图像质量。

3. 临床研究

研究团队在Duke大学进行了临床试验，评估了Gen 2和Gen 3系统的成像性能。Gen 2系统的临床试验包括12名健康受试者，Gen 3系统则包括14名健康受试者。通过对比不同系统的CNR值，研究团队发现Gen 3系统的CNR显著高于Gen 1和Gen 2系统，甚至在某些情况下超过了商用系统。

  • Gen 1系统：CNR为1.69±0.27（2次B-scan平均）。
  • Gen 2系统：CNR为1.74±0.07（2次B-scan平均），在9次平均时提升至1.93±0.08。
  • Gen 3系统：CNR为2.01±0.39（9次B-scan平均），显著高于商用系统的1.80±0.33。

4. 光谱仪性能

Gen 3系统的光谱仪性能显著提升，单通道检测的动态范围达到114 dB，平衡检测的动态范围接近120 dB，与某些扫频源OCT系统相当。此外，Gen 3系统的光谱仪设计更加高效，使用透镜代替了离轴抛物面镜（OAP），减少了功率损失。

主要结果

  • 成像质量提升：Gen 3系统的平衡检测和HM算法显著提升了图像质量，CNR提升了73%（与单通道检测相比）。
  • 临床适用性增强：Gen 3系统通过外部固定目标（fixation target）和升级的瞳孔相机，使操作者能够更快速、准确地获取视网膜图像。
  • 成本效益：尽管Gen 3系统的成本有所增加（9522美元），但其性能显著优于前代系统，且远低于商用系统的价格。

结论与意义

本研究开发的第三代低成本OCT系统在成像性能、操作便利性和成本效益方面取得了显著进展。通过平衡检测、改进的光谱仪设计和自参考直方图匹配算法，Gen 3系统能够生成与商用系统相媲美的高质量视网膜图像。这一成果为资源匮乏地区的视网膜疾病诊断提供了新的可能性，尤其是在临床护理点的应用中具有重要的推广价值。

研究亮点

  1. 硬件创新：Gen 3系统引入了平衡检测技术和改进的光谱仪设计，显著提升了信号恢复和噪声抑制能力。
  2. 算法创新：自参考直方图匹配算法在不牺牲分辨率的情况下提升了图像对比度。
  3. 临床应用：Gen 3系统通过外部固定目标和升级的瞳孔相机，增强了操作的便利性和成像的准确性。
  4. 成本效益：尽管成本有所增加，Gen 3系统的性能显著优于前代系统，且远低于商用系统的价格。

其他有价值的信息

研究团队还探讨了未来优化方向，包括实时图像处理算法的开发和大规模生产以进一步降低成本。此外，Gen 3系统的设计也为其他领域的OCT应用（如神经退行性疾病的诊断）提供了参考。

本研究为低成本OCT技术的发展提供了重要的理论和实践基础，具有广泛的科学和应用价值。