次世代低コストOCTの開発とポイントオブケア網膜イメージングへの応用

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次世代の低コスト光コヒーレンストモグラフィー（OCT）システムの開発：視網膜イメージングの臨床応用を強化

学術的背景

光コヒーレンストモグラフィー（Optical Coherence Tomography, OCT）は、非侵襲的で高解像度の画像取得技術であり、特に視網膜疾患の診断において広く利用されています。しかしながら、商業用OCTシステムは非常に高価（4万ドルから15万ドル）であるため、資源が限られた地域ではその利用が制限されています。OCT技術の利用可能性を拡大するため、研究者たちは低コストOCTシステムの開発に取り組み、臨床現場（Point-of-Care）において高品質の視網膜イメージングを可能にすることを目指しています。本稿では、ハードウェア設計と画像処理アルゴリズムを改良することで、性能を大幅に向上させた次世代の低コストOCTシステムについて説明します。このシステムにより、臨床応用での競争力がさらに高まりました。

論文情報

この論文はデューク大学生物医用工学部のHillel B. Price、Ge Song、Wan Wangらの研究者によって執筆され、2025年2月1日に『Biomedical Optics Express』誌（第16巻第2号）に掲載されました。この研究はアメリカ国立衛生研究所（NIH）からの資金助成を受けています。

研究のプロセスと詳細

1. システム設計とハードウェア改良

研究チームは三世代にわたる低コストOCTシステム（Gen 1、Gen 2、Gen 3）を開発し、それぞれの世代でハードウェアとソフトウェアに大幅な改良を施しました。Gen 1システムは3Dプリンティングとカスタム電子部品を用いることでコストを削減しましたが、商業用システム（Heidelberg Spectralisなど）に比べてイメージング性能が劣っていました。Gen 2システムでは、安定した超放射発光ダイオード（Superluminescent Diode, SLD）の出力、より高いA-lineレート（40 kHz）、改良された分光器設計などのハードウェア改良を導入しました。Gen 3システムでは、さらに平衡検出（Balanced Detection）技術を採用し、信号回復とノイズ抑制の能力を大幅に向上させています。

  • Gen 1システム：温度管理なしのSLD光源と3Dプリント製の分光器構造を使用し、コストは5037ドル。
  • Gen 2システム：温度制御付きSLDとより高速なカメラを導入し、コストは6097ドル。
  • Gen 3システム：2台目の分光器と平衡検出技術を追加し、コストは9522ドル。

2. 画像処理アルゴリズム

画像品質を向上させるために、研究チームは自己参照ヒストグラムマッチング（Self-Referenced Histogram Matching, HM）と呼ばれるアルゴリズムを開発しました。このアルゴリズムは、ぼかし処理を用いて参照ヒストグラムを生成し、元画像にヒストグラムマッチングを適用することで、解像度を犠牲にすることなくコントラスト対ノイズ比（Contrast-to-Noise Ratio, CNR）を向上させます。また、Gen 3システムでは深度依存の背景ノイズ補正が導入され、さらに画像品質が向上しました。

3. 臨床研究

研究チームはデューク大学で臨床試験を実施し、Gen 2およびGen 3システムのイメージング性能を評価しました。Gen 2システムの臨床試験には健康な被験者12名が参加し、Gen 3システムには14名が参加しました。異なるシステムによるCNR値を比較した結果、Gen 3システムのCNRはGen 1およびGen 2システムを大幅に上回り、一部のケースでは商業用システムをも凌ぐことが判明しました。

  • Gen 1システム：CNRは1.69±0.27（2回のB-scan平均）。
  • Gen 2システム：CNRは1.74±0.07（2回のB-scan平均）。9回平均では1.93±0.08に向上。
  • Gen 3システム：CNRは2.01±0.39（9回のB-scan平均）。商業用システムの1.80±0.33を大幅に上回る結果となった。

4. 分光器性能

Gen 3システムの分光器性能は著しく向上し、単一検出モードでのダイナミックレンジは114 dB、平衡検出モードでは120 dBに近づき、いくつかのスイープソースOCTシステムとも匹敵します。また、Gen 3の分光器設計は効率が高く、オフアクシス放物面鏡（OAP）の代わりにレンズを使用することで、電力損失を軽減しています。

主な結果

  • 画像品質の向上：Gen 3システムの平衡検出とHMアルゴリズムにより画像品質が大幅に向上し、CNRは単一検出と比べて73%向上しました。
  • 臨床適用性の向上：Gen 3システムは外部固定目標（Fixation Target）およびアップグレードされた瞳カメラを使用して、オペレーターが迅速かつ正確に視網膜画像を取得できるよう支援します。
  • コスト効率：Gen 3システムのコストは増加しましたが（9522ドル）、その性能は前世代のシステムを大幅に上回り、商業用システムと比べてはるかに低価格となっています。

結論と意義

本研究が開発した第3世代低コストOCTシステムは、イメージング性能、操作性、コスト効率の面で大きな進歩を遂げました。平衡検出、改良分光器設計、そして自己参照ヒストグラムマッチングアルゴリズムによる改良を通じて、Gen 3システムは商業用システムに匹敵する高品質な視網膜画像を生成できます。この成果は、資源が限られた地域における視網膜疾患の診断に新たな可能性を提供するとともに、特に臨床現場での利用において重要な応用価値を持っています。

研究のハイライト

  1. ハードウェアのイノベーション：Gen 3システムは平衡検出技術と改良分光器設計を採用し、信号回復とノイズ抑制性能を大幅に向上させています。
  2. アルゴリズムのイノベーション：自己参照ヒストグラムマッチングアルゴリズムは解像度を犠牲にすることなく画像のコントラストを向上させます。
  3. 臨床応用：Gen 3システムは外部固定目標とアップグレードされた瞳カメラを通じて操作性とイメージング精度を向上させています。
  4. コスト効率：コスト増加にもかかわらず、Gen 3システムの性能は前世代を上回り、商業用システムと比べて圧倒的に安価です。

その他の有益な情報

研究チームは、リアルタイム画像処理アルゴリズムの開発や、大量生産を通じたコスト削減の可能性についても検討しています。また、Gen 3システムの設計は、他分野におけるOCT応用例（例えば神経変性疾患の診断）にも参考になるでしょう。

本研究は、低コストOCT技術の発展に重要な理論的および実践的基盤を提供し、科学的および応用的価値が広く認められるものとなっています。