CN105559756A - 基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法与系统。结合光学相干层析技术的三维空间分辨能力和动态散射技术的运动识别能力，实现无标记的三维光学微血管造影。利用空间频率域的横向扫描调制谱编码不同入射角度的探测光，通过分割调制谱获得入射角度分辨的相互独立的血管造影子图，实现多个空间角度复合的微血管造影图。通过在深度(z)域去除共轭镜像，重构复数值的OCT干涉光谱，在空间频率域得到全空间的调制谱，避免调制谱共轭镜像的干扰。本发明中的空间角度复合技术可以增强血管造影的对比度；空间频率域的全空间技术提供最大化的调制谱带宽和对比度增强效果；多个角度分辨的探测技术可以实现血流绝对流速的测量。

Description

基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法与系统

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术(OpticalCoherenceTomography，OCT)以及在此基础之上的无标记三维光学微血管造影技术(OCTAngiography,Angio-OCT)，尤其涉及基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法与系统。

技术背景

OCT技术是自从上世纪90年代以后逐步发展起来的在生物医学领域具有重大应用价值的一种新型成像技术。凭借着无标记物、非侵入性、非接触性、高成像分辨率和高探测灵敏度等优点，它吸引着越来越多的国内外科研工作者更加深入地对其进行研究，目前在医学临床中得到了广泛应用。OCT技术主要依据所探测到的由于生物样品的光学不均匀性所导致的样品背向散射光光强变化，获取样品内部的反射率信息，进而重构出样品的断层结构图像。然而通常在疾病的早期阶段，由于正常的和病变的生物组织间光散射特性的差异性较小，运用传统的结构型OCT较难加以检测并区分，故而在临床应用上其存在诸多的局限性。为了能够获得除生物样品组织形态结构之外更多的生理信息，功能型OCT技术得到了开发并广泛应用。

诸多的疾病(如青光眼、老年黄斑病变等眼底疾病，脑中风等脑疾病)与血流灌注的病态变化存在密切的相关性。如若能够实时监测病人血管的变化，并提供血管的三维影像，对该类疾病的早期诊断和控制具有重要的意义。Angio-OCT技术是一项具有巨大前景的可有助于血管疾病诊断的工具，其能够较好的区分静态的组织和动态的血流信号，实现了OCT在获取血管内血流信息方面的功能性拓展。相较于传统的造影技术，其优势体现在无需注入显影剂和利用X射线，并结合前面所述OCT技术的特点，能够实现微血管三维深度分辨的高对比度的成像。通常，血流对比度的模型建立是运用数学的手段分析光散射信号的时间统计特性，并用阈值分割动态的血流信号和静态的组织背景信号来实现的。然而由于动态和静态信号统计曲线之间存在重叠，导致动态和静态信号分割错误，血流对比度受到抑制。因此，采取有效的方法提高造影图的血流对比，有助于更加清晰地解释说明图像的特征。

基于Angio-OCT信号的时间统计特性研究得出：多个独立的血管造影子图的平均可以提高造影的对比度。参照一些消除散斑的方法，可以通过波长多样性、角度多样性和偏振多样性等方法来获取独立的造影子图。Jia等人提出了一种类似于波长多样性的光谱分割Angio-OCT方法。该方法将OCT干涉信号的全波长光谱分割成不同的子光谱，每个子光谱可产生独立的造影子图，通过复合形成新的血管造影图。然而相对于原来的全光谱，每个子光谱带宽变窄，导致图像的轴向分辨率下降。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法与系统。

基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法，具体包括以下步骤：

1)通过在OCT深度(z)域去除共轭镜像，重构复数值的干涉光谱，在空间频率域得到全空间的横向扫描调制谱；

2)利用空间频率域的横向扫描调制谱编码不同入射角度的探测光，通过分割调制谱获得入射角度分辨的相互独立的OCT干涉子光谱；

3)结合2)中的调制谱分割技术与光学微血管造影技术，得到基于横向扫描调制谱分割的多个角度分辨的独立的血管造影子图；

4)结合1)中的全空间调制谱和2)中的调制谱分割技术和与光学微血管造影技术，获得基于全空间横向扫描调制谱分割的多个角度分辨的独立的血管造影子图；

5)对3)或4)中得到的血管造影子图进行平均，得到多个空间角度复合的血管造影图。

根据2)中的调制谱分割技术，实现基于横向扫描调制谱分割的多个角度分辨的血流绝对流速测量；

根据1)中的全空间调制谱和2)中的调制谱分割技术，实现基于全空间横向扫描调制谱分割的多个角度分辨的血流绝对流速测量。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法：

1)在OCT成像中，对应于一次横向扫描得到的干涉光谱实数信号，可表示为S(k,x)，其中k代表波数，x代表横向的快扫方向。由于直接对光谱实数信号沿横向x方向作傅里叶变换，所得到的空间频率分布会产生正负频率的混叠，因此需要重构出复数值的OCT干涉光谱。为了重构出复数谱，对实数谱S(k,x)沿着k方向进行傅里叶变换，得到深度域(z)的空间结构信息。通常在谱域OCT中，一半的z空间对应约3mm的成像范围，能够满足绝大多数的应用要求，于是将待测样品完全置于零光程差的一边，以分辨复共轭镜像。通过去除z域中的共轭项，沿k方向进行傅里叶逆变换，最终得到复数值的光谱信号对该复数谱沿x方向进行傅立叶变换，在空间频率域获得全空间的横向扫描调制谱。

2)通常在OCT系统的样品臂中，为获得较高的横向成像分辨率，要求照射到物镜上的光束直径尺寸尽量大。因此，当一定宽度的准直光束照射到样品臂扫描振镜的转轴中心时，光束距离转轴中心存在一定的偏移量δ。而偏移量δ会引入样品臂光程的调制，导致在空间频率域的横向扫描调制，其调制频率f_m与偏移量δ成线性函数关系：

$f_m=\frac{2k\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}\mathrm{\ω}},$

其中，k表示光源的中心波数，ω表示扫描振镜的角速度。因此，在全空间的横向扫描调制谱中，不同的调制频率对应着不同入射角度的探测光。对该调制谱进行分割，可获得入射角度分辨的相互独立的OCT干涉子光谱。分割得到的子光谱个数及子光谱间的重叠视最终的图像效果而定：分割的个数越多会导致横向分辨率减小得越多，此外还增加了处理算法的复杂度；子光谱间相互重叠的部分越大，会导致子光谱相互之间的独立性下降，影响编码不同入射角度的探测光。

3)对获得的入射角度分辨的相互独立的子光谱，利用目前的微血管造影技术，如幅值差分法、复数差分法、去互相关法和散斑方差法等，分别产生相对应的独立的造影子图。对这些空间角度分辨的造影子图进行复合平均，得到新的微血管造影图。

传统的多普勒频移测流速法只能测量与探测光束方向平行的速度分量。要测量血流的绝对速度，还需测得探测光束方向与血流方向的夹角(即多普勒角)。基于全空间调制谱分割，能够分辨不同入射角度的探测光束。对分割得到的角度分辨的调制子光谱，利用多普勒血流速度计算方法，可以获得不同入射角度探测方向的流速分量，进而根据几何关系可确定绝对的血流速度值。

基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影系统，包括低相干宽带光源、光环行器、光纤耦合器、参考臂、样品臂、光谱仪和信号处理模块；其中参考臂包括参考臂偏振控制器件、参考臂准直透镜、参考臂聚焦透镜和平面反射镜；样品臂包括样品臂偏振控制器、样品臂准直透镜、正交扫描振镜和样品臂聚焦物镜；光谱仪包括光谱仪准直透镜、闪耀光栅、傅里叶透镜和线阵CMOS相机；

低相干宽带光源经过光环行器与光纤耦合器一侧的输入端相连接；光纤耦合器另一侧的其中一个输出端口经过参考臂偏振控制器件与参考臂准直透镜相连接；参考臂聚焦透镜的光轴与参考臂准直透镜的光轴重合，平面反射镜置于参考臂聚焦透镜的焦平面处；光纤耦合器另一侧的另外一个输出端口，经过样品臂偏振控制器与样品臂准直透镜相连接；正交扫描振镜的第一扫描镜转轴中心位于样品臂准直透镜的光轴上，第二扫描镜转轴中心位于样品臂聚焦物镜的光轴上，待测样品置于样品臂聚焦物镜的焦平面处；光环行器的另一个输出端口与光谱仪准直透镜相连接，闪耀光栅根据分光原理放置在光谱仪准直透镜的出射光路上，傅里叶透镜置于闪耀光栅的出射光路上，线阵CMOS相机的采光面与傅里叶透镜的后焦平面重合；线阵CMOS相机后面接信号处理模块；

低相干宽带光源发出的光经过光环行器后入射到光纤耦合器，出射光分成两部分，一部分进入参考臂，经准直聚焦后照射到平面反射镜；另一部分进入样品臂，经过准直聚焦后照射到待测样品上；样品臂的正交扫描振镜实现样品臂光束对待测样品的三维扫描；参考臂反射镜反射回的光与待测样品背向散射回的光在光纤耦合器处发生干涉，出射的干涉光经过光谱仪后由信号处理模块采集处理。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)利用本发明获得的多个空间角度复合的微血管造影图，具有增强的对比度和血管连通性

2)相比于背景技术中谈及的类似于波长多样性的光谱分割Angio-OCT方法，其对光谱分割会导致轴向分辨率的下降。本发明对轴向分辨率不产生影响。

3)本发明谈及的全空间的横向调制谱分割技术，可以提供最大化的空间频率域的横向调制谱，消除由于调制谱分割导致的横向分辨率下降。

4)利用本发明谈及的基于全空间调制谱分割的多个角度分辨的探测技术，可以在单光束单次测量的情况下实现血流绝对流速的测量。

附图说明

图1为样品臂扫描光束示意图；

图2为偏移量δ引入的调制频率f_m图；

图3为横向扫描调制谱正负频率混叠图；

图4是本发明的方法实现流程图；

图5是本发明的成像系统示意图。

图1中：①、探测光束；②、扫描振镜；③、振镜转轴中心；④、聚焦物镜。

图2中：偏移量δ引入的调制频率f_m。

图3中：正负频率混叠的横向扫描调制谱。

图4中：A表示OCT干涉光谱实数信号；B表示深度(z)域的空间结构信息；C表示去除共轭项后的空间结构信息；D表示复数值的干涉光谱；E表示空间频率域的全空间横向扫描调制谱；F1至Fn分别表示分割得到的调制子光谱；G1至Gn分别表示z域空间结构信号；H1至Hn分别表示光学造影子图；I表示光学造影图；

图5中：1、低相干宽带光源；2、光环行器；3、光纤耦合器；4、参考臂偏振控制器件；5、参考臂准直透镜；6、参考臂聚焦透镜；7、平面反射镜；8、样品臂偏振控制器件；9、样品臂准直透镜；10、正交扫描振镜；11、样品臂聚焦物镜；12、待测样品；13、准直透镜；14、闪耀光栅；15、傅里叶透镜；16、线阵CMOS相机；17、信号处理模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例子对本发明作进一步的说明。

图1、图2和图3所示为本发明的横向调制原理示意图。下面对图1、图2和图3中的示意图作详细说明。

1)通常在OCT系统的样品臂中，为获得较高的横向成像分辨率，要求照射到物镜上的光束直径尺寸尽量大。因此，在图1中，当一定宽度的准直光束照射到样品臂扫描振镜的转轴中心时，光束距离转轴中心存在一定的偏移量δ。而偏移量δ会引入样品臂光程的调制，导致在空间频率域的横向扫描调制(如图2)，其调制频率f_m与偏移量δ成线性函数关系：

$f_m=\frac{2k\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}\mathrm{\ω}},$

其中，k表示光源的中心波数，ω表示扫描振镜的角速度。因此，在全空间的横向扫描调制谱中，不同的调制频率对应着不同入射角度的探测光。

2)在OCT成像中，对应于一次横向扫描得到的干涉光谱为实数值信号。由于直接对光谱实数信号沿横向快扫方向作傅里叶变换，所得到的空间频率分布会产生正负频率的混叠(如图3)，因此需要重构出复数值的OCT干涉光谱。

图4所示为本发明的方法的具体实现流程图。下面对图4中的过程进行详细说明：

1)在OCT成像中，对应于一次横向扫描得到的是干涉光谱实数信号(即方框A)。为了重构出复数值的光谱信号，对实数谱沿着波数k方向进行傅里叶变换，得到深度z域的空间结构信息(即方框B)。通常在谱域OCT中，一半的z空间对应约3mm的成像范围，能够满足绝大多数的应用要求，于是将待测样品完全置于零光程差的一边，以分辨复共轭镜像。通过去除z域中的共轭项，得到新的z域空间结构信息(即方框C)。而后沿着k方向进行傅里叶逆变换，最终得到复数值的光谱信号(即方框D)。对该复数谱沿x方向进行傅立叶变换，在空间频率域获得全空间的横向扫描调制谱(即方框E)。

2)对得到的横向调制谱进行分割，可获得入射角度分辨的相互独立的OCT干涉子光谱(即方框F1至Fn)。分割得到的子光谱个数n及子光谱间的重叠视最终的图像效果而定：分割的个数越多会导致横向分辨率减小得越多，此外还增加了处理算法的复杂度；子光谱间相互重叠的部分越大，会导致子光谱相互之间的独立性下降，影响编码不同入射角度的探测光。

3)对获得的入射角度分辨的相互独立的子光谱(即方框F1至Fn)，分别沿着x方向进行傅里叶逆变换，再沿着k方向进行傅里叶变换，得到z域的空间结构信息(即方框G1至Gn)。利用目前的光学微血管造影技术，如幅值差分法、互相关法等，分别产生相对应的独立的造影子图(即方框H1和Hn)。对这些空间角度分辨的造影子图进行复合平均，得到新的微血管造影图(即方框I)，其血流对比度得到了提高。

传统的多普勒频移测流速法只能测量与探测光束方向平行的速度分量。要测量血流的绝对速度，还需测得探测光束方向与血流方向的夹角(即多普勒角)。基于全空间调制谱分割，能够分辨不同入射角度的探测光束。对分割得到的调制子光谱(即方框F1至Fn)，利用多普勒血流速度计算方法，可以获得不同入射角度探测方向的流速分量，根据几何关系可确定绝对的血流速度值。

图5所示为本发明的成像系统示意图。下面对图5进行详细说明。

基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影系统，包括低相干宽带光源1、光环行器2、光纤耦合器3、参考臂、样品臂、光谱仪和信号处理模块17；其中参考臂包括参考臂偏振控制器件4、参考臂准直透镜5、参考臂聚焦透镜6和平面反射镜7；样品臂包括样品臂偏振控制器8、样品臂准直透镜9、正交扫描振镜10和样品臂聚焦物镜11；光谱仪包括光谱仪准直透镜13、闪耀光栅14、傅里叶透镜15和线阵CMOS相机；

其特征在于：低相干宽带光源1经过光环行器2与光纤耦合器3一侧的输入端相连接；光纤耦合器3另一侧的其中一个输出端口经过参考臂偏振控制器件4与参考臂准直透镜5相连接；参考臂聚焦透镜6的光轴与参考臂准直透镜5的光轴重合，平面反射镜7置于参考臂聚焦透镜6的焦平面处；光纤耦合器3另一侧的另外一个输出端口，经过样品臂偏振控制器8与样品臂准直透镜9相连接；正交扫描振镜10的第一扫描镜转轴中心位于样品臂准直透镜9的光轴上，第二扫描镜转轴中心位于样品臂聚焦物镜11的光轴上，待测样品12置于样品臂聚焦物镜11的焦平面处；光环行器2的另一个输出端口与光谱仪准直透镜13相连接，闪耀光栅14根据分光原理放置在光谱仪准直透镜13的出射光路上，傅里叶透镜15置于闪耀光栅14的出射光路上，线阵CMOS相机16的采光面与傅里叶透镜15的后焦平面重合；线阵CMOS相机16后面接信号处理模块17；

低相干宽带光源1发出的光经过光环行器2后入射到光纤耦合器3，出射光分成两部分，一部分进入参考臂，经准直聚焦后照射到平面反射镜7；另一部分进入样品臂，经过准直聚焦后照射到待测样品12上；样品臂的正交扫描振镜10实现样品臂光束对待测样品12的三维扫描；参考臂反射镜7反射回的光与待测样品12背向散射回的光在光纤耦合器3处发生干涉，出射的干涉光经过光谱仪后由信号处理模块17采集处理。

Claims (4)

1.基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)通过在OCT深度(z)域去除共轭镜像，重构复数值的干涉光谱，在空间频率域得到全空间的横向扫描调制谱；

2)利用空间频率域的横向扫描调制谱编码不同入射角度的探测光，通过分割调制谱获得入射角度分辨的相互独立的OCT干涉子光谱；

3)结合2)中的调制谱分割技术与光学微血管造影技术，得到基于横向扫描调制谱分割的多个角度分辨的独立的血管造影子图；

4)结合1)中的全空间调制谱和2)中的调制谱分割技术和与光学微血管造影技术，获得基于全空间横向扫描调制谱分割的多个角度分辨的独立的血管造影子图；

5)对3)或4)中得到的血管造影子图进行平均，得到多个空间角度复合的血管造影图。

2.基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法，其特征在于：根据2)中的调制谱分割技术，实现基于横向扫描调制谱分割的多个角度分辨的血流绝对流速测量。

3.基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影方法，其特征在于：根据1)中的全空间调制谱和2)中的调制谱分割技术，实现基于全空间横向扫描调制谱分割的多个角度分辨的血流绝对流速测量。

4.基于全空间调制谱分割角度复合的微血管造影系统，包括低相干宽带光源、光环行器、光纤耦合器、参考臂、样品臂、光谱仪和信号处理模块；其中参考臂包括参考臂偏振控制器件、参考臂准直透镜、参考臂聚焦透镜和平面反射镜；样品臂包括样品臂偏振控制器、样品臂准直透镜、正交扫描振镜和样品臂聚焦物镜；光谱仪包括光谱仪准直透镜、闪耀光栅、傅里叶透镜和线阵CMOS相机；

其特征在于：低相干宽带光源经过光环行器与光纤耦合器一侧的输入端相连接；光纤耦合器另一侧的其中一个输出端口经过参考臂偏振控制器件与参考臂准直透镜相连接；参考臂聚焦透镜的光轴与参考臂准直透镜的光轴重合，平面反射镜置于参考臂聚焦透镜的焦平面处；光纤耦合器另一侧的另外一个输出端口，经过样品臂偏振控制器与样品臂准直透镜相连接；正交扫描振镜的第一扫描镜转轴中心位于样品臂准直透镜的光轴上，第二扫描镜转轴中心位于样品臂聚焦物镜的光轴上，待测样品置于样品臂聚焦物镜的焦平面处；光环行器的另一个输出端口与光谱仪准直透镜相连接，闪耀光栅根据分光原理放置在光谱仪准直透镜的出射光路上，傅里叶透镜置于闪耀光栅的出射光路上，线阵CMOS相机的采光面与傅里叶透镜的后焦平面重合；线阵CMOS相机后面接信号处理模块；

低相干宽带光源发出的光经过光环行器后入射到光纤耦合器，出射光分成两部分，一部分进入参考臂，经准直聚焦后照射到平面反射镜；另一部分进入样品臂，经过准直聚焦后照射到待测样品上；样品臂的正交扫描振镜实现样品臂光束对待测样品的三维扫描；参考臂反射镜反射回的光与待测样品背向散射回的光在光纤耦合器处发生干涉，出射的干涉光经过光谱仪后由信号处理模块采集处理。