第2高調波生成イメージングと2次元離散フーリエ変換分析を使用したコラーゲン繊維構造の定量化：ヒト視神経への応用

第2高調波生成（SHG）顕微鏡検査は、その高い空間分解能、光学的セクション機能、比較的非破壊サンプル調製のため、コラーゲン繊維のマイクロアーキテクチャを画像化するために広く使用されています。SHG画像の定量化には、ファイバーアライメントをキャプチャするための敏感な方法が必要です。この記事では、SHG画像からのコラーゲン繊維構造分析のための2次元離散フーリエ変換（DFT）ベースの方法を紹介します。この方法には、統合された周期性に加えて、DFTエッジの不連続アーチファクトを補正するための滑らかな画像分解が含まれ、より一般的に使用されるウィンドウ酸化方法で遭遇する周辺画像データの喪失を回避します。出力されたパラメーターは次のとおりです。コラーゲン繊維配向の分布、整列したコラーゲン含有量、および主要な方向に沿ったコラーゲン繊維分散の程度。ヒト視神経ヘッドのコラーゲン微細構造を決定するためのその応用を実証し、境界強膜の最も内側の層の放射状繊維アライメントや中央気圧組織の円周方向のコラーゲンリングを含む特徴的な構造的特徴を正確にキャプチャする能力を示します。神経ヘッド内の個々のラミナクリブロサビームのより高い空間分解能レンダリングも実証されています。メソッドの検証は、広角X線散乱と提示された方法の他の繊維組織への適用による相関結果の形で提供されます。

Second harmonic generation (SHG) microscopy is widely used to image collagen fiber microarchitecture due to its high spatial resolution, optical sectioning capabilities and relatively nondestructive sample preparation. Quantification of SHG images requires sensitive methods to capture fiber alignment. This article presents a two-dimensional discrete Fourier transform (DFT)-based method for collagen fiber structure analysis from SHG images. The method includes integrated periodicity plus smooth image decomposition for correction of DFT edge discontinuity artefact, avoiding the loss of peripheral image data encountered with more commonly used windowing methods. Outputted parameters are as follows: the collagen fiber orientation distribution, aligned collagen content and the degree of collagen fiber dispersion along the principal orientation. We demonstrate its application to determine collagen microstructure in the human optic nerve head, showing its capability to accurately capture characteristic structural features including radial fiber alignment in the innermost layers of the bounding sclera and a circumferential collagen ring in the mid-stromal tissue. Higher spatial resolution rendering of individual lamina cribrosa beams within the nerve head is also demonstrated. Validation of the method is provided in the form of correlative results from wide-angle X-ray scattering and application of the presented method to other fibrous tissues.