CN103502770B - 使用光学相干断层扫描进行实时跟踪的改进成像 - Google Patents

Abstract

提供了一种光学相干断层扫描OCT系统。所述系统包括：OCT成像仪；二维横向扫描仪，耦合至OCT成像仪，所述二维横向扫描仪从光源接收光，并且将从样品反射的光耦合到OCT成像仪中；光学器件，所述光学器件在二维横向扫描仪和样品之间耦合光；视频摄像机，耦合至光学器件，并且获取样品的图像；以及计算机，耦合用于从视频摄像机接收样品的图像，所述计算机处理图像、并且基于所述图像向二维横向扫描仪提供运动偏移信号。

Description

使用光学相干断层扫描进行实时跟踪的改进成像

托尼H·科 罗兴志 赵勇华 章本魁

相关申请

本申请要求2011年4月29日递交的美国临时申请No.61／481，055和2012年4月27日递交的美国非临时申请No.13／458，531的优先权，将其公开通过引用全部合并在此。

技术领域

本发明的实施例涉及医学成像领域。具体地，一些实施例涉及利用实时视频跟踪技术来改进光学相干断层扫描(OCT)图像的质量的设备和方法。

背景技术

光学相干断层扫描(OCT)是用于生物组织微结构的体内剖面和三维成像高分辨率成像技术(Wolfgang Drexler and James G.Fujimoto，[Optical Coherence Tomography：Technology and Application，Springer(2008)])。在过去的二十多年来，OCT已经广泛地用于人眼的非侵入式成像。

由于改进的成像速度和灵敏度，傅里叶域OCT(FD-OCT)得到普及，并且已经成为非侵入式微结构成像的主流技术(参见例如Wojtkowski M.et al.，[J.Biomed.Opt.7,457-463(2002)]，LeitgebR.et al.，[Opt.Express11，889-894(2003)]，Choma M.A.et al.，[Opt.Express11，2183-2189(2003)]，或者Boer J.F.et al.，[Opt.Lett.28，2067-2069(2003)])。当前的商用傅里叶域OCT系统具有在每秒25000至53000轴向扫描(A扫描)之间的成像速度。这些成像速度使能在几百分之一秒中获得典型的剖面OCT图像(B扫描)。由于图像获取时间的持续时间短，由目标眼睛的微扫视移动引起的横向运动伪像在大多数OCT B扫描图像中是不明显的。在典型的FD-OCT剖面图像中也将由心跳、呼吸和头部移动引起的轴向移动伪像最小化。

已经发现通过对在相同位置处获取的多个B扫描进行平均来减小图像中的斑点噪声，可以改进OCT虚像的图像质量。(参见例如Sander B.et al.，[Br.J.Ophthalm0l.89，207-212(2005)]，SakamotoA.et al.，[Ophthalmology115，1071-1078.e7(2008)]，或者Hangai M.et al.，[Opt.Express17，4221-4235(2009)])。尽管FD-OCT的成像速度增加，但是当增加用于平均的B扫描的个数使得总获取时间接近几十分之一秒时，横向和轴向运动伪像仍然是个问题。作为获取期间运动伪像的结果，由于对来自不同位置的背散射信号进行平均，通过多个B扫描平均获得的OCT图像可能具有模糊效果。因为使用FD-OCT获取目标眼睛的整个三维数据集合典型地要求几秒钟，可能出现横向和轴向运动伪像并且影响图像质量。因此，需要一种实时跟踪目标眼睛的运动的设备和方法，以便改进OCT成像的质量并且保持精确的三维解剖信息。

在尝试解决这一问题时，一些商用OCT系统使用分离的激光扫描成像系统(也称作扫描激光检眼仪或SLO)来执行OCT扫描束的实时横向跟踪(Hangai M.et al.，[Opt.Express17，4221-4235(2009)])。这种方法增加了复杂度，因此整体上增加了系统的成本；这种方法也将物体暴露到来自SLO束的附加光学辐射中。

为了减小系统复杂度，也尝试使用眼底的近红外视频图像来执行OCT成像的横向跟踪。Koozekanani公开了一种使用双本征空间和自适应血管分布模型来跟踪视神经头的方法(Koozekanani D.et al，[IEEE Trans Med Imaging，22，1519-36(2003)])。然而，这种复杂的建模计算上是密集且繁重的；并且由于其复杂度，这种运动跟踪在实时性方面不灵活。

因此，需要一种更好的OCT图像数据的运动跟踪的设备和方法。

发明内容

根据一些实施例，提出了一种光学相干断层扫描(OCT)系统。根据一些实施例的光学相干断层扫描(OCT)系统包括：OCT成像仪；二维横向扫描仪，耦合至OCT成像仪，所述二维横向扫描仪从光源接收光，并且将从样品反射的光耦合到OCT成像仪中；光学器件，所述光学器件在二维横向扫描仪和样品之间耦合光；视频摄像机，耦合至光学器件，并且获取样品的图像；以及计算机，耦合用于从视频摄像机接收样品的图像，所述计算机处理图像、并且基于所述图像向二维横向扫描仪提供运动偏移信号。

在一些实施例中，一种成像方法包括：将OCT光源从OCT成像仪导引至样品；在OCT成像仪中捕捉OCT图像；使用视频摄像机捕捉样品的视频图像；分析视频图像以确定运动校正；以及响应于运动偏移来调节OCT光源在样品上的定位。

下面参考以下附图进一步描述这些和其他实施例。

附图说明

图1示出了具有近红外摄像机的OCT系统的系统图。

图2示出了没有运动检测和校正的OCT数据获取的流程图。

图3说明了在没有跟踪的情况下在标准3D OCT图像中的运动伪像。

图4示出了在没有跟踪的情况下获取的平均化的B扫描。

图5是根据本发明一些实施例的系统图。

图6是运动检测和跟踪的示例流程图。

图7是利用运动检测和校正的OCT数据获取的示例流程图。

图8示出了没有运动伪像的跟踪3D OCT图像的示例。

图9示出了利用实时跟踪获取的示例平均化B扫描。

具体实施方式

本发明提出了一种用于解决这些跟踪方法的一些缺点的解决方案。公开了一种方法和设备，用于使用视频图像执行实时横向跟踪以实现OCT扫描位置的登记。可以使用快速且有效的算法来使用近红外视频图像获得实时跟踪信息。实时跟踪检测横向的眼睛运动，并且主动地将OCT扫描束移动到想要的扫描位置。这种主动跟踪系统消除了不在适当位置的OCT扫描，并且便于从三位空间中定义明确的位置获取OCT数据。可以通过标准FD-OCT获取和处理来获得沿每一个A扫描的光学背散射强度。可以沿横向、轴向、和旋转方向将顺序的OCT B扫描对准以执行轴向扫描登记。从相同的位置获取并且按照这种方式登记的OCT B扫描适用于通过多个B扫描平均来改进OCT图像质量。按照这种方式获取和处理的OCT B扫描也可以用于获取几乎没有运动伪像的三维数据集合。

在本发明的一些实施例中，红外视频可以用于实现OCT数据获取的实时跟踪以及三维登记。图1示出了典型的OCT系统，包括标准OCT成像仪130、二维(2D)横向扫描仪120、分束器107，用于提供样品110和感兴趣的成像区域115的同时观看。OCT成像仪130典型地是眼科领域的傅里叶域OCT系统，也可以使用时域OCT系统。此外，傅里叶域OCT系统可以基于光谱仪或者基于快速调谐的激光器，也称作“扫频源”。通常，OCT成像仪130包括OCT光源和接收反射光的检测器。在一些实施例中，可以通过红外摄像机101提供扫描区域的同时观看，其中典型地通过视频数字转换器102捕捉视频图像以在计算机显示器103上显示，从而在图像获取期间提供相对于感兴趣的解剖区域的OCT扫描位置的操作者连续反馈。各种光学透镜105、106和108将OCT束和视频图像聚焦到样品110中的感兴趣区域115上。

图2说明了使用没有运动检测和校正的如图1所公开的系统的OCT数据获取的步骤的流程图。如图2中的方法所示，在步骤201，操作者使用红外摄像机101来对准样品110，例如人眼。如在OCT获取期间通常所执行的，一旦在步骤201中足够地对准了样品110，在步骤202，操作者然后将OCT设备移动得更靠近样品110，以便将视频图像聚焦到感兴趣的区域115上，例如人眼的眼底。在将显示出感兴趣的区域115的视频图像足够地优化之后，操作者在步骤203优化OCT信号，准备步骤204中的OCT数据获取。然后获取OCT信号并且将其数字化到计算机中，执行本领域中常用的信号处理以产生OCT图像，如步骤205所示。在步骤206，操作者可以判决所获取的OCT图像是否具有足够好的质量。当OCT图像质量不够好时(步骤206中的否)，获取过程返回到步骤203以重新优化OCT信号。另一方面，当OCT图像是质量足够好时，下一个步骤是保存OCT数据和眼底图像，如步骤210所示。

商用傅里叶域OCT系统具有范围在每秒几万次轴向扫描(A扫描)的成像速度。在这些速度下，单次剖面OCT图像(B扫描)将可能不包含来自无意识微扫视运动或由于对象的呼吸、心跳或头部移动导致的运动的明显运动伪像。然而，在这些成像速度下对于完整三维数据集合的获取仍然要求最高至几秒钟。这导致了如图3所示的运动伪像。在图3中，使用图1的系统在人的视神经头区域上获取三维OCT数据集合。清楚地示出了三维OCT数据的这种2D表示的下部300中的运动伪像。在部分300中，血管断裂，并且不符合眼睛的真实解剖情况。这种运动伪像可能是由于3D OCT数据获取期间对象的无意识微扫视移动引起的。

使用运动检测和校正的优势之一是减小图3所示的运动伪像。运动检测和校正的另一种优势是通过在相同的预期位置处获得的多个B扫描进行平均来改进OCT图像的图像质量。然而，当增加用于平均的B扫描的个数时，作为由于运动导致的不是在相同位置获得的信号的叠加结果，通过平均获得的最终OCT图像将具有模糊伪像。

图4是通过目标在相同位置的多个B扫描的平均产生的剖面OCT图像。该图像示出了由于获取期间的运动导致的通过对多个B扫描进行平均引起的图像模糊伪像。这种模糊伪像否决了严格在相同位置处获取的多个B扫描进行平均的潜在质量改进优势。提供这里公开的实施例以去除这些运动伪像并且改进整体OCT图像质量。

图5是根据本发明的方面的OCT系统的示例实施例。在图5所示的系统中，附加的处理元件检测和评估样品中的横向运动。图5说明的OCT系统的实施例包括OCT成像仪330、二维(2D)横向扫描仪320、分束器307，用于提供样品310和感兴趣的成像区域315的同时观看。OCT成像仪330包括：OCT光源，用于从OCT成像仪330提供光；以及检测器系统，用于接收和分析反射到OCT成像仪330中的光以便提供OCT图像。例如，OCT成像仪330可以是傅里叶域OCT系统，但是也可以使用时域OCT系统。此外，傅里叶域OCT系统可以基于光谱仪或快速调谐激光器，或者“扫频源”。OCT成像仪330可以与图1所示成像仪130类似。

通过红外摄像机301提供扫描区域以及感兴趣的区域315的同时观看，其中通过视频数字转换器302捕捉视频图像在计算机显示器303上显示，以在图像获取期间向操作者提供相对于感兴趣的解剖区域的OCT扫描位置的连续反馈。光学透镜305、306和308将OCT束和视频图像聚焦到样品310中感兴趣的区域315上。

在一些实施例中，如图5所示的基于视频的跟踪元件包括：计算机350，所述计算机350包括视频存储器340；用于运动检测算法345的处理器；以及用于误差分析的模块347。视频存储器340存储感兴趣的区域315的视频帧，然后通过运动检测算法345实时地评估所述视频帧以检测是否发生了任何横向运动。运动检测算法345识别在视频帧中存在的横向运动，并且执行误差分析347以计算位置偏移(误差偏移)，并且确定是否需要调节OCT扫描位置以停留在具有期待的OCT扫描位置的目标上。这种误差偏移然后可以应用于二维(2D)横向扫描仪320，以响应于在视频帧中检测的运动来提供实时运动校正。计算机350可以是能够处理数据的任意设备，并且可以包括任意个数的具有相关联的数据存储器的处理器或微控制器以及支持电路，所述存储器例如是存储器或固定存储介质。在一些实施例中，计算机350可以包括收集和处理来自OCT330的数据的计算机以及用于进一步的图像处理的分离计算机。这里分离的计算机可以是物理地分离的。

在一些实施例中，可以调节OCT系统的固定位置以增加感兴趣的区域315的面积。例如，可以向固定位置引入偏移，使得对象的固定注视不以视频帧的中心为中心。例如，可以调节这种固定偏移以将更多的视神经盘区域置于视频帧中。视频图像中的视神经盘可以进一步用作眼底中的高对比度可靠特征，用于检测运动和计算横向偏移。

在一些实施例中，视频存储器340可以从参考图像数据库342获得参考视频帧。在一些实施例中，从对象先前就诊时的成像获得这种参考视频帧，以用作后续检查的参考。可以将由视频数字转换器302捕捉的实时视频图像与这种参考视频帧进行比较，以确定当前OCT扫描位置和所需的OCT扫描位置之间的偏移。然后可以将这种位置偏移应用于二维(2D)横向扫描仪320以针对扫描位置进行调节，并且可以获得就诊时可再现的OCT扫描位置。

根据一些实施例，当执行运动检测算法时，可以隔离视频帧中的视神经盘，并且自动进行检测。在多次就诊时跟踪视神经盘的位置对于跟踪眼睛的其他视网膜特征具有优势，因为视神经盘的位置和对比度随着时间相对更显著和稳定。视频帧中的其他视网膜特征常常由于疾病发展或接受治疗而改变。

在一些实施例中，使用计算机中的时钟355来确定针对红外视频和OCT成像的获取定时属性。机载高精度计算机时钟355可以用于确定红外视频帧和OCT图像帧之间的精确时间关系。通过消除对于红外视频摄像机上的附加硬件触发能力的需要，这进一步减小了系统的成本和复杂度。

在本发明的一些实施例中，红外视频摄像机和OCT扫描仪的性质(例如位置和高宽比)用于使用已知尺寸和尺度的特征的校准。这种校准过程确保了视频摄像机和OCT扫描仪之间正确以及受控的关系，使得可以精确地应用相对于视频帧的横向运动偏移和误差偏移信号以提供实时的运动校正。

图6是根据本发明一些实施例的运动检测和误差分析算法的示例流程图。在图6中，如步骤401所示，通过视频数字转换器302获取实时视频数据进行分析。在步骤402，自动特征识别和隔离可以应用于视频帧以便隔离视频图像中一定的感兴趣区域。例如，可以检测和自动隔离眼底中的视神经盘用于进一步的运动分析。在步骤403，视频帧的子集或整个视频帧可以经历特征边界提取。可以在这一步骤中使用本领域公知的特征提取算法。例如，可以使用检测图像强度中的不连续性的边缘检测算法。类似地，如在步骤404中那样，先前获取并且存储在存储器340中的视频帧也经历类似的图像处理以产生相应的特征边界提取，然后将所提取的特征与步骤403中的实况视频帧进行比较。存储器340中的视频帧可以是同一次就诊时用于图像跟踪的实况视频流，或者是用于在多次就诊中跟踪OCT扫描位置的前次就诊时获取的参考视频帧。在步骤405中，将从实况视频帧403和存储器4044中的视频帧提取的特征边界进行比较以确定这些视频帧之间的横向移动。如果在步骤406中通过特征边界比较没有检测到运动，那么在两个视频帧之间不存在可检测的运动，并且可以在步骤410中将在这些视频帧之间获取的OCT图像进行保存用于进一步的处理。如果在步骤406中通过特征边界比较检测到了运动，那么随后将检测的运动的量与运动校正范围的预设限制进行比较，以确定检测到的运动是否是可校正的。如果在步骤407中所述运动是可校正的，如在步骤408中那样，计算扫描位置偏移并且发送至OCT扫描设备320，以对由于运动引起的位置偏移进行校正。如果在步骤407中所述运动超出预设限制，因此是不可校正的，所述过程返回到实况视频获取步骤401，直到样品中的位置偏移落在预设限制内为止。

图7是使用如图6所示的实时视频运动检测和扫描校正方法的OCT获取程序的示例流程图。在一些实施例中，如在步骤501中，操作者使用红外摄像机301来对准样品310，例如人的眼睛。如在OCT获取期间通常执行的，一旦在步骤501中将样品301充分地对准，那么在步骤502中操作者将OCT设备移动得靠近样品310以便对感兴趣的区域315(例如人限的眼底)上的视频图像进行聚焦和优化。在对示出了感兴趣的区域315的视频图像进行充分地优化之后，操作者在步骤503中优化OCT信号，准备步骤505中的OCT数据获取。在步骤505中的OCT数据获取之前，施加步骤504的实时视频运动检测和扫描校正，以便提供如图6所述的OCT扫描位置的实时跟踪。接下来在步骤505，在OCT扫描位置的实时跟踪下执行OCT图像获取，并且然后可以使用标准信号处理技术来产生OCT图像，如步骤506所示。操作者可以在步骤507判决所获取的OCT图像是否是足够质量的，并且在步骤510中保存OCT数据和眼底视频图像，或者重新开始OCT图像获取过程并且返回到步骤503。

应用本发明的一些实施例可以减小或去除如图3所示的运动伪像。图8是使用图5的系统在很少或者没有运动伪像的人视神经头区域上获取的三维OCT数据集合。利用增加的OCT扫描位置的实时跟踪，与图3所示的伪像300相反，可以很少或者没有运动伪像地获取整个三维OCT数据集合。在图8的3D OCT数据集合的运动校正2D表示中没有观察到明显的血管断裂或解剖特征的不连续性。利用实时运动跟踪可以显著地减小或者成功地去除诸如微扫视、心跳、呼吸和头部运动之类的无意识运动。

通过向标准OCT系统添加实时OCT跟踪，可以显著地提高对多次B扫描进行平均以改进图像质量的益处。图9示出了通过使用这里所述的实时OCT跟踪的一些实施例获取的多次B扫描进行平均产生的剖面OCT图像。通常，通过对于在相同的预期位置获取的多次B扫描进行平均改进了OCT图像的图像质量。然而，当用于平均的B扫描的个数增加时，作为由于运动导致的不是在严格相同的期望位置处获得的信号的叠加结果，通过平均获得的OCT图像可能包含模糊伪像。这里公开的实时OCT跟踪可以通过增加用于平均的B扫描次数来改进OCT图像质量，不会引入任何模糊伪像。在图9中示出了使用实时OCT跟踪的详细和特征充足的平均化的B扫描。

根据一些实施例，通过在应用B扫描平均之前沿横向、轴向和旋转方法执行OCT图像对准，可以进一步增强多次B扫描平均的图像质量。可以将每一次获取的OCT图像沿轴向和／或横向方向的参考OCT图像进行相关，以实现最好的OCT图像对准。在一些实施例中，为了实现旋转对准，可以将OCT图像中的每一个A扫描沿轴向与参考OCT图像中的相应A扫描相关。基于OCT图像的这种图像对准方法可以从通过实时视频跟踪不能校正的对象中去除轴向运动，实时横向运动校正和轴向运动图像对准的组合使能了从三维空间中良好限定的扫描位置获取OCT数据。

根据本发明的一些实施例，可以在图5公开的设备中实现简单和快速的实时OCT跟踪。基于SLO的跟踪系统典型地要求安装每秒15帧获取SLO图像，而标准视频系统按照每秒30帧获取图像，或者利用先进的视频摄像机按照最高每秒几百帧获取图像。这里公开的基于视频的跟踪系统比基于SLO的跟踪方法更加易于操作，因为当视网膜位于距最优SLO断面位置几毫米范围内时才能执行SLO成像。此外，如图5所公开的本发明的一些实施例不会将对象暴露到附加的光学辐射，如在使用SLO成像的情况中那样。

因为大多数商用OCT成像设备使用物体的近红外视频用于操作者瞄准，基于视频的跟踪容易修改。因此，这里公开的系统和方法可以通过很小的修改(例如软件和／或固件升级)在这些OCT成像设备上实现基于视频的跟踪。

这里公开的系统和方法也可以改进疾病进展的评估，因为可以在多次就诊时更加精确地跟踪OCT数据。为了跟踪疾病进展或者对治疗的反应，希望在多次就诊时在相同位置执行OCT测量，例如视网膜的性质和特征和／或内视网膜厚度。基于视频的实时跟踪可以消除获取期间的眼睛运动，并且考虑了不同检查之间患者的固定位置的变化。这实现了在就诊时相同位置处的OCT扫描的获取，并且改进了例如视网膜或内视网膜层的OCT测量的质量。

尽管这里已经公开了各种方面和实施例，其他方面和实施例将对于本领域普通技术人员是清楚明白的。这里公开的各种方面和实施例用于说明的目的而不是为了限制，真实的范围和精神由以下权利要求表示。本领域普通技术人员应该理解或者能够仅仅使用常规实验来确定这里描述的方法和特征的特定实施例的许多等同物。这些等同物意欲被权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种光学相干断层扫描OCT系统,包括：

OCT成像仪，被配置为获取OCT图像帧；

二维横向扫描仪，耦合至OCT成像仪，所述二维横向扫描仪从光源接收光，并且将从样品反射的光耦合到OCT成像仪中；

光学器件，所述光学器件在二维横向扫描仪和样品之间耦合来自所述光源的光；

视频摄像机，耦合至光学器件，并且获取样品的视频帧；以及

计算机，耦合至所述OCT成像仪和所述视频摄像机，所述计算机包括时钟，所述时钟用于确定从视频摄像机接收的样品的视频帧和从OCT成像仪接收的OCT图像帧之间的精确时间关系，所述计算机被配置为基于所述精确时间关系处理所述样品的视频帧和OCT图像帧并且向二维横向扫描仪提供运动偏移信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算机还被配置为执行运动检测算法来计算运动的量，并且执行误差分析来确定运动偏移信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述运动检测算法将所述样品的视频帧与在存储器模块中存储的图像进行比较以检测运动。

4.根据权利要求3所述的系统，其中在图像数据库中提供所存储的图像。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述时钟用于OCT成像仪和视频摄像机同步。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述OCT成像仪基于光谱仪或可调激光器。

7.一种成像方法，包括：

将OCT光源从OCT成像仪导引至样品；

在OCT成像仪中捕捉OCT图像；

使用以与OCT成像仪具有精确时间关系的视频摄像机捕捉样品的视频图像；

使用视频摄像机和OCT成像仪之间的精确时间关系，分析所述样品的视频图像以确定运动校正；以及

响应于运动校正来调节OCT光源在样品上的定位。

8.根据权利要求7所述的方法，其中分析所述样品的视频图像以确定运动校正包括：

根据所述样品的视频图像计算运动的量；以及

根据运动的量确定运动偏移信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其中计算运动的量包括将所述样品的视频图像与在存储器模块中存储的图像进行比较以检测运动。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在图像数据库中提供所存储的图像。

11.根据权利要求7所述的方法，其中捕捉OCT图像和捕捉所述样品的视频图像使用计算机时钟以精确时间关系进行同步。

12.根据权利要求7所述的方法，其中捕捉OCT图像包括利用光谱仪或可调激光器。