突破光學成像局限：全視野光學血管造影技術(shù)新進展
全視野光學血管造影（FFOA）作為一種實時、無創(chuàng)的成像技術(shù)，能夠提取生物血液微循環(huán)信息，為深入探究生物組織的功能和病理變化提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。然而，傳統(tǒng)FFOA成像方法受到光學鏡頭景深（DOF）的限制，難以捕捉到包含所有血流信息的圖像。近期一項發(fā)表于《Frontiers in Physics》的研究，看看它是如何在全視野光學血管造影（FFOA）技術(shù)上實現(xiàn)創(chuàng)新突破的。
研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
血液微循環(huán)研究的臨床價值
研究腫瘤微血管的變化，能幫助我們開發(fā)出精準打擊癌細胞的抗血管生成療法。長期的高血糖會侵蝕視網(wǎng)膜的微血管，導(dǎo)致血管滲漏，進而引發(fā)缺血性新生血管。實時監(jiān)測視網(wǎng)膜微循環(huán)的變化，醫(yī)生就能準確地實施治療，保護患者的視力。微血管稀疏化是高血壓和冠脈微循環(huán)障礙的重要標志。通過高分辨率成像評估血管內(nèi)皮功能和血流儲備，能提前發(fā)現(xiàn)心血管疾病的隱患。
為了看清血液微循環(huán)，科學家們運用了多種光學成像技術(shù)，包括FFOA技術(shù)。然而都受到景深（DOF）的限制。由于生物樣本結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有光學成像技術(shù)很難一次讓所有深度的血管都清晰成像。增加鏡頭放大倍數(shù)，會使景深范圍變得更窄，更多的血管無法清晰成像，嚴重阻礙了對生物組織的深入研究。
多焦點融合技術(shù)的崛起
多焦點圖像融合技術(shù)通過改變成像系統(tǒng)的焦距，獲取同一物體在不同景深下的多幅圖像，然后提取聚焦特征并融合，擴大了成像的景深范圍。在工業(yè)檢測、文物保護等領(lǐng)域，這項技術(shù)已展現(xiàn)出巨大潛力，在生物醫(yī)學成像領(lǐng)域也有望突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸。
技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
基于梯度特征檢測的FFOA圖像融合方案
研究開發(fā)了基于梯度特征檢測（GFD）的FFOA圖像融合方案。首先用非下采樣輪廓波變換（NSCT）把源圖像分解為低頻系數(shù)（LFCs）、高頻方向系數(shù)（HFDCs）和低頻差分圖像（LFDIs）。針對低頻系數(shù)，采用基于和修正拉普拉斯（SML）與局部能量（LE）相結(jié)合的融合規(guī)則（SMLE），全面評估低頻系數(shù)的特征，挑選出融合后的低頻系數(shù)。處理高頻方向系數(shù)時，運用基于結(jié)構(gòu)張量和局部清晰度變化度量（SOLS）的融合規(guī)則，構(gòu)建并優(yōu)化決策圖，指導(dǎo)高頻方向系數(shù)的融合，保留源圖像細節(jié)信息。最后，對融合后的系數(shù)進行逆NSCT變換，生成最終的融合圖像，擴展了FFOA圖像的景深。
與傳統(tǒng)的金字塔變換相比，NSCT具有靈活性、多尺度性、多方向性和移位不變性，能在多個方向上分解圖像，捕捉更豐富的細節(jié)信息，獲得更準確的融合結(jié)果。實驗表明，在多焦點圖像融合方面，NSCT性能優(yōu)于其他多尺度變換方法，為FFOA圖像融合提供了更強大的技術(shù)支持。
融合規(guī)則的設(shè)計與優(yōu)化
融合規(guī)則決定如何從源圖像的不同系數(shù)中選擇最優(yōu)信息進行融合，融合規(guī)則有效反映低頻系數(shù)的能量和亮度變化，保留源圖像重要的低頻信息。基于局部清晰度變化度量的融合規(guī)則充分考慮高頻方向系數(shù)中局部幾何結(jié)構(gòu)（LGS）的變化，減少錯誤信息引入，提高融合圖像質(zhì)量
成像實驗與結(jié)果分析
幻影實驗：模擬真實場景的驗證
研究人員進行幻影實驗，模擬真實生物血管場景。通過電動變焦鏡頭（EZL）獲取不同景深的FFOA圖像，將景深從1mm擴展到約3.2mm。結(jié)果顯示，該研究提出的方法和U2Fusion方法在融合圖像中殘留信息較少，能更好地保留源圖像信息。在客觀評價指標上，該研究方法在多個指標上表現(xiàn)出色，略優(yōu)于NSSR方法，證明其在保留源圖像信息和提高融合圖像質(zhì)量方面的優(yōu)勢。
研究人員用小鼠耳朵進行動物實驗，將景深從0.8mm擴展到約3.3mm。在不同組實驗中，針對不同血管厚度和背景組織情況，該研究方法都展現(xiàn)出優(yōu)勢。在量化評估中，該方法在大多數(shù)指標上優(yōu)于其他對比方法，平均指標值最高，表明其在動物實驗中能有效擴展景深，保留源圖像信息，呈現(xiàn)血管細節(jié)。
公共數(shù)據(jù)集實驗：通用性的有力證明
除了幻影實驗和動物實驗，研究人員利用公共數(shù)據(jù)集進行實驗，以驗證所提方法的通用性。他們選用了包含20對多焦點圖像的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含運動場和金屬網(wǎng)格等復(fù)雜場景，對驗證方法的性能具有較高價值。結(jié)果顯示，在保留源圖像亮度和顏色信息方面，所有方法表現(xiàn)良好，但在圖像清晰度方面，NSSR和該研究方法更出色。在客觀評估中，該研究方法在多個指標上排名第一，盡管在VIF指標上略低于NSSR，但綜合來看，該方法在整體客觀評估中的指標表現(xiàn)最佳。這充分證明了該方法不僅在特定的實驗場景中表現(xiàn)優(yōu)異，而且在不同類型的多焦點圖像融合任務(wù)中都具有良好的通用性和有效性，能夠廣泛應(yīng)用于各種實際場景。
總結(jié)與展望
基于GFD的FFOA圖像融合方案為生物醫(yī)學研究帶來新契機。在腫瘤研究領(lǐng)域，有助于揭示腫瘤生長和轉(zhuǎn)移機制，為開發(fā)抗腫瘤藥物提供靶點。在心血管疾病研究中，能更準確評估血管狀況，對早期診斷至關(guān)重要，為制定個性化治療方案提供依據(jù)。目前該技術(shù)存在一些局限，如聚焦速度有限，無法實時成像，計算效率有待提升。未來，研究人員將優(yōu)化硬件設(shè)備，提高成像速度，開發(fā)智能參數(shù)選擇方法，減少人工經(jīng)驗依賴，并優(yōu)化計算過程，提高計算效率。隨著技術(shù)的改進和完善，該融合技術(shù)在臨床診斷中，可輔助醫(yī)生更準確地診斷眼科、皮膚科等疾病。在藥物研發(fā)方面，能評估藥物對血管的作用效果。
論文信息
聲明：本文僅用作學術(shù)目的。
Wang G, Li J, Tan H and Li X (2024) Fusion of full-field optical angiography images via gradient feature detection. Front. Phys. 12:1397732.
DOI:10.3389/fphy.2024.1397732.
- 軟 X 射線顯微成像技術(shù)揭秘抗瘧機制，實現(xiàn)40 nm無損成像新突破
- 雙光子顯微成像助力揭示小膠質(zhì)細胞在驅(qū)動神經(jīng)元過度興奮中的作用
- 《Nature》子刊：支持實時掃描自動修圖的光聲超聲雙模成像
- 《eLife》文獻：渦蟲神經(jīng)3D圖譜首現(xiàn)，光片顯微技術(shù)新突破
- 光聲成像新突破——納米膠囊精準鎖定血液中的肝素“密碼”
- 聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）材料助力雙光子熒光成像新發(fā)展
- 眼-腦軸新突破：眼部3D成像應(yīng)用于阿爾茨海默病Aβ檢測
- 火山噴發(fā)前的化學倒計時：Neoscan顯微CT在巖漿同化機制研究中的應(yīng)用
