二軸光干渉断層撮影

二軸光干渉断層撮影（DA-OCT ）は、光干渉断層撮影（OCT）の原理に基づいた画像診断法です。これらの技術は主に医療用画像診断に使用されています。OCTは非侵襲性かつ非接触性です。リアルタイムの原位置画像診断が可能で、高解像度の画像を提供します。OCTは超音波に似ていますが、光波（通常は近赤外線）を利用するため、超音波よりも高速です。^{[1]一般に、OCTはコンパクトで持ち運び可能であることが証明されています。動脈カテーテルや内視鏡と互換性があり、食道（}バレット病）や冠動脈（心血管疾患）などの長い内部空洞内の疾患の診断に役立ちます。^[2]

従来のOCTの最大の制限は、平均自由行程がわずか100ミクロンの弾道（非散乱）光子、または単一後方散乱光子の検出に依存していることです。これにより、散乱の激しい生物組織への深度浸透が著しく制限されます。深部での信号対雑音比（SNR）が不十分になります。この問題を克服するために、DA-OCTは角度付き光源と検出コンポーネント、および調整可能なレンズを使用して、焦点深度を高め、生物組織への深度浸透を改善します。^{[3] [4]}

DA-OCT は、スペクトル領域 OCT システムに 2 軸アーキテクチャを適用します。その目的は、生物組織内の視野の深さを改善することです。コヒーレンス イメージングを備えた 2 軸アーキテクチャは、2010 年代初頭に導入されました。DA-OCT が開発される前は、2 軸設計は、多重散乱マルチスペクトル低コヒーレンス干渉法 (ms2/LCI) で一般的に使用されていました。この技術も多重散乱光を解析して、光散乱媒体から深度分解画像を取得します。^[5]

このアーキテクチャでは、光源と検出器が等しく反対の角度に傾けられ、2軸が作成されます。わずかな散乱角度により、組織内で散乱する光子をより多く収集できる可能性が高まります。光源と検出器の角度が大きいほど、焦点領域は深くなります。しかし、問題もあります。角度が大きいほど、焦点領域が小さくなります。拡散した光子を検出する可能性は高くなりますが、領域のサイズは小さくなります。^[3]

焦点領域のサイズが小さくなる問題を解決するために、調整可能なレンズが使用されます。調整可能なレンズは動的な焦点合わせを可能にし、焦点領域をさまざまな組織の深さでスキャンすることができます。異なるスキャンからのデータは、ガボールドメイン光コヒーレンス顕微鏡で使用されるアルゴリズムに似たアルゴリズムを使用して、1つの画像にまとめられます。これにより、焦点深度が強化され、濁った媒体内での浸透深度が向上します。^[3]

広帯域スーパーコンティニュームレーザーからの光は、1240～1390 nmの範囲にフィルタリングされ、ファイバーカップラーに導かれます。ファイバーカップラーは、OCTの特徴である干渉計を実装しており、入力光をサンプルアームと参照アームに分割します。サンプルアームには2軸アーキテクチャが追加され、レーザー光源からの光と検出器に向けられた光の両方に角度が付けられます。角度を変更することで、媒体の深部でランダムな角度で散乱した光をより多く収集できる可能性が高まります。DA-OCTは、ビームスキャンを高速化するために、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）ミラーも使用します。これにより、DA-OCTは複数の深さでスキャンを収集して単一の画像を形成する必要があるため、積分時間が短縮されます。^[3]

研究グループは、DA-OCT と OCT の両方について、チューナブル レンズありとチューナブル レンズなしのサンプルを撮影しました。その結果、チューナブル レンズありの DA-OCT を DA-DOF+、チューナブル レンズなしの DA-OCT を単に DA-OCT と呼びました (DOF+ は「拡張焦点深度」を示します)。研究グループは、チューナブル レンズありのオン アクシス OCT を On-Axis OCT DOF+ と呼びました。チューナブル レンズなしのオン アクシス OCT を OCT または On-Axis OCT と呼びました。^[3]

定量的実験では、コントラスト対ノイズ比 (CNR) が画像品質を決定する主な指標として使用されました。通常、散乱媒体内の針を画像化するため、CNR は次のように表されます。

${\displaystyle CNR={\left\vert \mu _{s}-\mu _{m}\right\vert \over {\sqrt {\sigma _{s}^{2}+\sigma _{m}^{2}}}}}$

ここで、μ _sは針の輪郭の平均ピクセル数、μ _mは周囲の媒体の平均ピクセル数、σ _sとσ _mは対応する標準偏差である。^[3]

Wax の研究グループは、イントラリピッドベースのハイドロゲルファントムを開発し、DA-OCT、On-Axis OCT、および DA-DOF+ で画像化しました。前方散乱の強い生体組織を模倣するため、1 つのハイドロゲルファントムは散乱係数を 1.6 mm ^-1に下げ、異方性を 0.9 にしました。もう 1 つのハイドロゲルファントムは、対照として異方性値をほぼゼロにしました。両方のハイドロゲルファントムに針を入れて画像化しました。異方性が高い場合、On-Axis OCT と比較して DA-OCT の CNR に改善はありませんでした。DA-DOF+ と On-Axis OCT を比較すると、CNR が 17% 増加しました。低異方性の場合、DA-OCTのCNRはOn-Axis OCTに比べて有意な増加は見られませんでしたが、DA-DOF+ではOn-Axis OCTに比べて31%の増加が見られました。^[3]

Wax の研究グループは、マウス皮膚内のさまざまな深さ (約 0 mm、1.3 mm、2.5 mm) での針の CNR プロファイルも観察しました。彼らは、On-Axis OCT、DA-OCT、On-Axis OCT DOF+、および DA-DOF+ を使用して画像を撮影しました。より深い深さ (>1 mm) では、DA-OCT と DA-DOF+ は、On-Axis OCT や On-Axis OCT DOF+ よりも優れた CNR を生み出しました。たとえば、グループは、DA-OCT では On-Axis OCT と比較して 195% の増加、DA-DOF+ では On-Axis OCT DOF+ と比較して 169% の増加を発見しました。DA-OCT と DA-DOF+ は、針の表面がシステムの焦点ゾーンから離れすぎていたため、On-Axis OCT や On-Axis OCT DOF+ と比較して浅い深さで強い CNR を示さなかった。いずれの場合も、焦点深度が強化されたモード（DOF+）は、調整可能なレンズのない対応するモードよりも大幅に優れたCNRを示しました。全体的に、傾向はグループの結論と一致しています。DA-OCT DOF+は、より深いところで最高のCNRを提供します。^[3]

Wax 氏が率いる研究グループは、いくつかの定性研究を実施しました。まず、DA-OCT と従来の OCT を使用して、生体外で豚の耳の皮膚を調べました。表皮は DA-OCT 画像ではより明るく表示されますが、従来の OCT 画像では真皮層に溶け込んでいます。DA-OCT は、従来の OCT が検出したよりも強い光子信号を検出しました。また、DA-OCT 画像では表皮層がより厚く表示されます。これは、従来の OCT と比較して、DA-OCT でより多くの多重散乱光子が検出されたことを意味します。^[4]

研究グループは、損傷を受けたラットの皮膚のDA-OCT画像と、同じサンプルの組織病理スライドを比較しました。組織病理スライドによると、ラットの皮膚の基部は健康（コントロール）ですが、中央と先端は損傷と構造的損傷を示しています。DA-OCT画像はこれらの結論と一致しています。健康な基部では、DA-OCT画像は均一な後方散乱強度を示しています。中央と先端では、DA-OCT画像は組織壊死を示す不均一な後方散乱領域を示しています。^[4]

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