CN105493144A

CN105493144A - 处理主体皮肤的光学相干断层成像扫描

Info

Publication number: CN105493144A
Application number: CN201480036207.2A
Authority: CN
Inventors: 西蒙·哈特斯利; 亚当·梅金思; 丹尼尔·伍兹
Original assignee: Michelson Diagnostics Ltd
Current assignee: Michelson Diagnostics Ltd
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-04-13
Also published as: WO2015001317A1; GB201311833D0; JP2016526978A; US20160225141A1; EP3017424A1; US9892507B2; GB2515761A

Abstract

一种处理主体皮肤(7)的光学相干断层成像(OCT)扫描的方法，该皮肤(7)具有表面(8)，该方法包括捕捉通过主体皮肤(7)的多个扫描，该扫描表示在平行平面中通过用户皮肤(7)的切片中的OCT信号，该扫描沿垂直于该平行平面的方向互相偏移，该方法包括确定皮肤(7)的表面(8)在每个扫描中的位置并且利用指示(9)向用户显示该扫描，该指示表示所能够看到的皮肤(7)的表面(8)之下的预定深度。

Description

处理主体皮肤的光学相干断层成像扫描

技术领域

本发明涉及处理主体皮肤的光学相干断层成像(OCT)扫描的方法以及相关装置。

背景技术

光学相干断层成像(OCT)于1991年在美国麻省理工学院被发明并且被广泛用于对各种器官的人体组织—特别是眼睛而且还有皮肤(J.Welzel,"Opticalcoherencetomographyindermatology:areview,"SkinResearchandTechnology,vol.7,pp.1-9,2001)—进行成像。特别地，我们知晓英国Kent郡Opington的MichelsonDiagnostics有限公司制造并销售的VivoSight(RTM)OCT设备，其被设计为供专业皮肤科医师在评估患者的皮肤损伤时使用。

VivoSightOCT设备对皮肤进行扫描并且向用户呈现垂直于皮肤表面的平面中的皮肤表面下结构的图像(按照惯例，该OCT设备假设垂直地定位于皮肤表面上方)。所产生的二维图像在本领域被众所周知地称之为“B扫描(B-scan)”并且包括许多垂直像素的线条，后者在本领域被众所周知地称之为“A线条(A-lines)”。该图像中的每个像素具有对应于从OCT设备所获得的信号的数值，该信号由于该像素的y位置处的光学特性所导致。而且，VivoSight设备能够在跨皮肤表面的多个位置获取扫描，以便跨感兴趣的损伤构建一系列B扫描。这在本领域被称作多切片“堆叠”并且能够被用户以多种方式进行观看从而得出医疗上所感兴趣的组织特征，诸如癌细胞的病灶。

例如，用户能够快速连续地观看B扫描的堆叠以扫过损伤区域。而且，数据的堆叠能够被重新采样从而能够提取并观看(垂直于B扫描的)水平平面中的一个或多个图像切片。水平切片在本领域有时被称作“C扫描(C-scan)”。因此，能够观看到任意所期望深度的C扫描。此外，能够同时观看来自堆叠的C扫描和B扫描。所有这些对于OCT以及更一般地医疗成像领域的技术人员都是公知的。

皮肤科医师出于多种原因而有兴趣对皮肤进行成像，但是特别地，他们有兴趣对皮肤该细胞团块或“病灶”进行成像，并且确定该病灶在皮肤中扩展至多深。这是因为一些可用治疗仅对于浅层恶性肿瘤是有效的，但是这些治疗的侵入性较小并且带来了比用于深入渗透恶性肿瘤的外科手术明显更好的美容结果。然而，对于皮肤科医师而言，除了通过利用OCT进行成像并观看图像之外，并没有容易的方式来确定恶性肿瘤病灶的深度和范围。特别地，皮肤科医师想要知道给定恶性肿瘤的病灶是否扩展至皮肤表面之下的至少1mm处，因为这已经被确定为是确定预后并且因此要施加以治疗方案的临界深度，并且其在本领域中在恶性黑色素瘤的情况下被称之为“Breslow深度”。

VivoSight设备提供了一种通过从皮肤表面上损伤边界在B扫描上绘制箭头而测量损伤深度的简单手段，该箭头的长度被显示在扫描仪显示器上。然而，这时一项耗时的手工处理。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种处理主体皮肤的光学相干断层成像(OCT)扫描的方法，该皮肤具有表面，该方法包括捕捉通过主体皮肤的多个扫描，该扫描表示以平行平面通过用户皮肤的切片的的OCT信号，该扫描沿垂直于该平行平面的方向互相偏移，该方法包括确定皮肤的表面在每个扫描中的位置并且利用指示向用户显示该扫描，该指示表示所能够看到的皮肤的表面之下的预定深度。

这样，我们已经意识到，对于用户而言，能够轻易确定深度的轮廓在OCT扫描中处于何处是有利的。特别地，给定使用Breslow深度来描述黑色素瘤细胞已经渗透至皮肤之中有多深，本方法允许熟练的临床医师更为容易地判断黑色素瘤处于皮肤之中多深。

该指示可以是表示预定深度的轮廓；可替换地，扫描中比该预定深度更深的那些区域可以以不同方式被呈现给用户，诸如以不同颜色进行呈现。

该方法可以包括用户选择该预定深度。在任意情况下，该预定深度可以表示皮肤表面以下0.75毫米和1.5毫米之间的深度；优选地，该预定深度将表示皮肤表面以下1毫米的深度。

该方法可以包括顺序地向用户显示每个扫描。因此，用户因此能够顺序地浏览其中显示适当位置的扫描，而使得用户能够确定是否存在任何通常比预定深度更深的要注意的特征。

该方法可以包括从该扫描生成用户皮肤的三维模型。该方法因此可以包括显示通过并不平行于扫描的模型的切片，其具有示出该切片中表面以下的预定深度的指示。这允许用户在任意所期望平面中观看通过用户皮肤的切片。可替换地或除此之外，该方法可以包括向用户显示该三维模型的二维投影，其具有示出表面以下的预定距离的指示。

该平行平面可以大致上或总体上垂直于皮肤的表面；因此该扫描可以是B扫描。

然而，在可替换实施例中，该平行平面可以大致上或总体上平行于皮肤表面；每个扫描因此可以是C扫描。观看C扫描以便判断恶性肿瘤病灶深度的缺陷在于C扫描是平坦平面，而皮肤表面并不是平坦的，并且这意味着C扫描中的每个点在表面以下的深度并不是固定数值而是跨该C扫描有所变化，并且因此并不容易根据C扫描来断定能够C扫描中可见的病灶是处于皮肤表面以下的临界深度之上还是之下。

根据本发明的第二方面，提供了一种处理主体皮肤的光学相干断层成像(OCT)扫描的方法，该皮肤具有表面，该方法包括捕捉通过主体皮肤的多个扫描，该扫描表示在平行平面中通过用户皮肤的切片中的OCT信号，该扫描沿垂直于该平行平面的方向互相偏移，该方法包括确定皮肤的表面在每个扫描中的位置并且随后向用户显示至少一个表示该扫描的图像，而使得该图像中沿该图像中的一条线条(通常是水平的)的所有点处于皮肤表面以下的相同深度。

不同于显示轮廓或其它指示，该方法具有使得皮肤表面平坦化的效果，所以沿该(通常为水平的)线条的所有点都处于相同深度。

优选地，该线条沿一个方向并且每个图像中具有多条线条，沿处于相同深度的每条线条的所有点都处于皮肤表面以下的相同深度。通常，该深度将在不同线条之间有所变化；优选地，该线条将以深度的升序或降序进行排列。这样的排列类似于B扫描，但是被重新标准化而使得通过图像的一个方向(通常垂直于该方向)始终对应于皮肤表面以下的深度(而不是OCT传感器以下的深度)。典型地，沿着图像的深度，一致的深度的线条在图像中将会是水平的。

然而，在一种可替换实施例中，图像中的所有点都将处于皮肤以下的相同深度。这样，整个图像处于皮肤表面以下的相同深度。因此，这类似于C扫描，但是其中皮肤表面以下的深度是恒定的，而并非是OCT传感器以下的距离是恒定的。在该实施例中，所清楚的是，如果深度被设置在临界深度(例如，Breslow深度)并且恶性肿瘤病灶在图像中完全或部分可见，则恶性肿瘤病灶必然在该临界深度以下向下扩展。

对于本发明的任一个方面而言，确定皮肤表面在每个扫描中的位置的步骤可以包括检测OCT信号中的连续尖锐变化，该变化通常处于垂直方向之中。在OCT装置所拍摄的规模上(具有数毫米侧边的立方体的量级)，皮肤表面将由OCT信号在一个维度中的突然变化所表示，该变化通常处于垂直方向中，但是其在其它方向的两个维度中是连续的。这样，该方法可以包括构建皮肤的三维模型，并且在该三维模型中搜索形成连续的二维表面的变化。

该确定皮肤表面的位置的方法还可以包括确定皮肤的表面粗糙度。这是已知皮肤位置有用但出乎意料的副产品。皮肤粗糙度可以被测量为皮肤位置的平均偏差(R_a)，从最高峰值最低谷的皮肤位置范围(R_z)，或者皮肤位置的均方根(R_q)中的任意一种。这样的参数的计算是公知的，但是该方法提供了该源数据的新的来源。

任一项方面的方法可以在耦合至显示器的适当处理器上执行。该处理器和显示器可以属于OCT装置。

根据本发明的第三方面，提供了一种光学相干断层成像(OCT)图像处理装置，包括处理器，耦合至该处理器的显示器和耦合至该处理器的存储，该存储承载程序指令，当在该处理器上执行时，该程序指令使得其执行本发明的前两个方面中的任一个方面的方法。

该图像处理装置可以包括利用其捕捉OCT扫描的OCT装置。这样，该图像处理装置可以包括被配置为生成干涉图的OCT探头，并且该处理器可以被配置为从该干涉图生成图像。这样，该图像处理器可以被配置为在图像被捕捉时对它们进行处理。

可替换地，该图像处理装置可以与OCT装置分离并且可以被配置为在图像被捕捉之后对它们进行处理。这样，该图像处理装置可以包括被配置为接收用于处理的图像的数据接收装置(诸如网络连接或媒体驱动器)。

根据本发明的第四方面，提供了一种处理主体皮肤的光学相干断层成像(OCT)扫描的方法，该皮肤具有表面，该方法包括捕捉通过主体皮肤的多个扫描，该扫描表示在平行平面中通过用户皮肤的切片，该扫描沿垂直于该平行平面的方向互相偏移，该方法包括确定皮肤的表面在每个扫描中的位置。

附图说明

随后，参考附图仅通过示例对本发明的实施例进行描述，其中：

图1示意性示出了依据本发明实施例的光学相干断层成像(OCT)装置；

图2示出了描绘图1中的装置如何确定皮肤表面的位置的流程图；

图3示出了图1中的装置所生成的三维位图堆叠，具有描绘皮肤表面以下的给定深度的轮廓；

图4示出了通过主体皮肤的二维OCTB扫描；和

图5示出了与图4相同的图像，其中图像的垂直轴线被重新调节从而描绘出皮肤表面以下的距离。

具体实施方式

依据本发明实施例的光学相干断层成像(OCT)装置在附图中的图1中被示出。其包括计算机1，后者具有处理器2以及耦合至处理器2的存储(诸如大型存储设备或随机访问存储器)。存储3包含使得处理器2如以下所描述地进行工作的数据和处理器指令。计算机1可以是任意适当模型；通常可以使用运行操作系统的个人计算机，上述操作系统诸如微软(RTM)Windows(RTM)或苹果(RTM)MacOSX(RTM)。计算机1还被提供以由处理器2进行控制的显示器4，其上能够显示任意所期望的图形。

该装置进一步包括OCT干涉仪5以及相关联的探头6。干涉仪5利用沿基准路径通过的光对通过探头6从样本7(这里是主体的皮肤)反射的光进行干涉以生成干涉图。这些在干涉仪5中进行检测；所测量的信号随后被送至计算机1以便进行处理。适当OCT装置的示例实施例能够在作为WO2006/054116公开的PCT专利申请或能够从英国Kent郡Orpington的MichelsonDiagnostics所获得的VivoSight(RTM)装置中找到。

这样的OCT装置通常生产多个B扫描：也就是垂直通过皮肤7所拍摄的扫描。对每个干涉图进行分析的结果是位图，其中图像的宽度对应于总体上平行于皮肤表面的方向并且高度对应于从传感器进入到皮肤的深度。通过拍摄许多平行的扫描，能够构建位图的三维堆叠。

该装置拍摄该堆叠并且确定皮肤表面8在图像中的位置。其通过执行附图中的图2中所示的方法而实施该功能。

在步骤20，构建OCT干涉图的三维堆叠。在步骤22，在优选实施例中，对图像数据进行滤波以减少或去除相干检测技术所固有的随机噪声(相干斑噪声)以及垂直于用来捕捉该图像数据的成像系统的其它图像伪像(artefact)。使用线性和非线性滤波技术来实现噪声对于图像对比度的影响的减少，上述技术意在保留边缘特征同时去除相干斑。这样的滤波器的示例包括线性滤波器、Kalman滤波器(例如，参见IgorGurov和MaximVolynsky的"RecurrencesignalprocessinginFourier-domainopticalcoherencetomographybasedonlinearKalmanfiltering"，Proc.SPIE8792，OpticalMethodsforInspection,Characterization,andImagingofBiomaterials，879203(2013年5月23日)；doi:10.1117/12.2020615；http://dx.doi.org/10.1117/12.2020615)或者小波滤波器(例如，参见“SpecklereductioninopticalcoherencetomographyimagesofhumanfingerskinbywaveletmodifiedBM3Dfilter”，BoChong,Yong-KaiZhu，OpticsCommunicationsVolume291,2013年3月15日，第461–469页，http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2012.10.053)。

纯粹的接近于组织的表面表示从空气到组织的折射率变化，并且因此在OCT图像中呈现出非常强的向后散射特征和高的信号。在步骤24，为了获得皮肤表面在图像中的候选，因此，对图像的A线条进行滤波以指示OCT信号中的极值；这些中的某些基于简单参数(极值的位置、分类和局部环境，诸如相邻图像中的极值位置之间的差异)而被拒绝。可以采用另外的边缘滤波对结果进行精炼并且确保皮肤表面的估计以最小程度被剩余相干斑或向后散射不良的皮肤表面(例如在存在使得皮肤表面近侧的折射率差异有所减小或最小号的媒介的情况下)所影响。

该阶段的结果是可能表面位置的3D二进制阵列，其中该数据阵列的每个A扫描中可能有多种解决方案。

步骤24中的处理通常会针对邻近皮肤表面导致多个候选。因此进行步骤26以根据其并不表示真实皮肤表面的概率向每个A扫描中的每个候选指定一分数。该算法可以涉及到独立的概率估计以及将这些以适当方式进行组合从而提供具有意义的量度。

在步骤28，随后对多个皮肤表面候选的集合以及它们的权重进行处理以选择出表示单一表面的候选集合30。被用来选择该表面的算法试图使得所选择表面中的候选的权重并且还有对所选择表面中的相邻候选之间的Euclidean距离所指定的权重的总和最小化。

在步骤32，根据基于皮肤形态的先验知识的标准而针对适用性对在步骤28所选择的表面30进行评估，该评估的结果在这里被称作表面的“价值量(worthiness)”。除其它因素之外，该标准可以包括一致性、变化的预测性、表面变化，所有这些都处于来自已知皮肤样本的预期现值之内。如果则根据所规定的数值获得的价值量不足，则该解决方案被拒绝(在步骤34)，并且使用在该步骤中所得出的另外的权重因数重复步骤26、28和32。在重复的步骤28中被指定给多个候选的附加权重可以基于表面的位置及其整体价值量以及对于特定候选的价值量的局部贡献进行计算。

作为确定皮肤表面位置的一部分，确定皮肤表面的粗糙度也是便利的。能够测量三个参数—皮肤位置的平均偏差(R_a)，从最高峰值最低谷的皮肤位置范围(R_z)，或者皮肤位置的均方根(R_q)。为了消除大规模表面波动(诸如，例如由于不准确的探头定位所导致的皮肤相对于成像探头的倾斜)的影响而并不对用户作出过分要求，通过计算所检测皮肤表面与所计算的平均皮肤表面中的相对应位置的偏差来测量皮肤表面拓扑。该平均皮肤表面使用空间低通滤波器并且以数学方式将平滑弯曲表面针对所产生分布进行拟合而进行计算；例如，参见Kottner,J.、Schario,M.、Bartels,N.G.、Pantchechnikova,E.、Hillmann,K.和Blume-Peytavi,U.的(2013),Comparisonoftwoinvivomeasurementsforskinsurfacetopography.SkinResearchandTechnology,19:84–90.doi:10.1111/srt.12009，或者B-GRosén等人的(2005)Onin-vivoskintopographymetrologyandreplicationtechnique，J.Phys.:Conf.Ser.13325doi:10.1088/1742-6596/13/1/076。

该方法的结果是通过皮肤表面位置的位图堆叠而对位置的确定。这随后能够被用来简化临床医师对于所捕捉图像的分析。这能够以多种方式来实现，但是在美中情况下都依赖于Breslow深度。诸如黑色素瘤之类的肿瘤范围在皮肤以下的深度已经被发现指示了该肿瘤有多大可能性发生转移。典型地，达到皮肤表面以下1毫米的肿瘤不可能发生转移，而扩展范围皮肤表面以下1毫米的那些肿瘤则更加可能发生转移。

在一个示例中，假设皮肤的位置是已知的，皮肤以下的给定深度—这里为1mm，但是能够由用户进行选择—的轮廓的位置能够在显示器4上被示出给用户。这样的显示器的示例在附图的图3中被示出。其将该堆叠示为三维块的二维投影，对皮肤表面8和轮廓9进行高亮显示，这在该堆叠的两个面上被示出。可替换地，能够将具有适当轮廓9的单独的二维B扫描示出给用户；用户能够以翻书的方式浏览该扫描而查看通过扫描的结构形状。

轮廓9的显示对于用户是有用的，因为他们能够使用其快速确定给定结构(例如，黑色素瘤)是否扩展至皮肤表面以下的所选择深度以外，因为他们能够简单地确定其是否扩展至轮廓9之下。

在一种替换形式中，不同于示出轮廓9，该图像能够被重新调节而使得被示出给用户的图像的给定方向—即高度—不再是始于探头6的深度而是皮肤表面8以下的深度。这仅要求确定皮肤表面8在图像的位置，并且因此所显示图像中的列被向上移动相对应数量的像素。皮肤表面8随后将表现为平坦表面，并且皮肤内的结构深度能够简单地通过它们处于图像下多远而得以被确定。

这能够在附图的图4和5中看到。图4示出了所捕捉的B扫描，其中(附图中所示)垂直轴线示出始于探头的深度而水平轴线则示出以直角距该深度的位移。皮肤表面8在该图中能够被视为起伏的线条。

图5对应于图4，区别在于皮肤表面的位置已经被重新调整或标准化。这样，皮肤表面8现在是通过图像的平坦水平线条。垂直维度现在反映出皮肤表面8以下的距离而不是距探头的距离。在期望的情况下，标度能够由用户来提供。因此，现在确定结构在皮肤表面之下的深度更为容易，特别地，Breslow深度(或者用户所决定的任意其它深度)能够由跨图像的简单线条9所指示。

在另一种可替换形式中，该装置能够显示从处于皮肤表面以下一致深度的堆叠所拍摄的图像。类似于C扫描，这样的深度扫描将仅示出作为皮肤表面以下的给定深度的特征。因此，用户能够清楚地确定皮肤7的样本中在给定深度具有什么样的结构。这使得用户能够对堆叠执行进一步的分析，例如是否已经识别出恶性肿瘤病灶，确定其在表面以下的给定深度的横向范围。

在又另一个实施例汇总，该OCT设备可以收集C扫描而不是B扫描的堆叠的形式的数据。如果该设备收集到足够多数量的C扫描，则其结果是能够以上文所描述的B扫描堆叠的相同方式来分析并观看所能够处理的OCT数据的3D堆叠。

Claims

1.一种处理主体皮肤的光学相干断层成像(OCT)扫描的方法，所述皮肤具有表面，所述方法包括捕捉穿过主体皮肤的多个扫描，所述扫描表示以平行平面穿过用户皮肤的切片的OCT信号，所述扫描沿垂直于所述平行平面的方向互相偏移，所述方法包括确定在每个扫描中皮肤的表面的位置并且利用指示向用户显示所述扫描，所述指示表示用户所能够看到的所述皮肤的表面之下的预定深度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述指示是表示预定深度的轮廓。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描中的比所述预定深度更深的那些区域以不同方式呈现给用户。

4.根据之前任一项权利要求所述的方法，包括用户选择所述预定深度。

5.根据之前任一项权利要求所述的方法，其中所述预定深度表示皮肤表面以下0.75毫米和1.5毫米之间的深度。

6.根据之前任一项权利要求所述的方法，包括顺序地向用户显示每个扫描，其中所述指示被显示。

7.根据之前任一项权利要求所述的方法，包括从所述扫描生成用户皮肤的三维模型。

8.根据权利要求7所述的方法，包括显示穿过模型但并不平行于所述扫描的切片，其中所述指示示出所述切片中所述表面以下的预定深度。

9.一种处理主体皮肤的光学相干断层成像(OCT)扫描的方法，所述皮肤具有表面，所述方法包括捕捉穿过主体皮肤的多个扫描，所述扫描表示以平行平面穿过用户皮肤的切片的OCT信号，所述扫描沿垂直于所述平行平面的方向互相偏移，所述方法包括确定在每个扫描中皮肤的表面的位置并且随后向用户显示至少一个表示所述扫描的图像，使得所述图像中沿该图像中的一条线条的所有点处于所述皮肤表面以下的相同深度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述线条是沿一个方向的并且每个图像中具有多条线条，沿每条线条的所有点都处于所述皮肤表面以下的相同深度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中不同线条之间所述深度也不同；所述线条以深度的升序或降序进行排列。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述图像中的所有点都处于所述皮肤下的相同深度。

13.根据之前任一项权利要求所述的方法，其中确定在每个扫描中皮肤的位置的步骤包括检测OCT信号中的连续尖锐变化。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法包括构建皮肤的三维模型，并且在所述三维模型中搜索形成连续的二维表面的变化。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述确定皮肤的位置的方法还包括确定皮肤的表面粗糙度。

16.根据之前任一项权利要求所述的方法，由耦合至显示器的适当处理器所执行。

17.一种光学相干断层成像(OCT)图像处理装置，包括处理器、耦合至所述处理器的显示器、和耦合至所述处理器的存储；所述存储承载程序指令；当在所述处理器上执行时，所述程序指令使得其执行根据前述的任一项权利要求所述的方法。

18.根据权利要求17所述的装置，其包括OCT装置，利用所述OCT装置捕捉OCT扫描。

19.根据权利要求17所述的装置，其与OCT装置分离并且被配置为在图像被捕捉之后对它们进行处理。