CN106137134B - 多角度复合的血流成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多角度复合的血流成像方法及系统。从N个角度区域对组织样本进行光学相干层析(OCT)探测，并且对于同一角度区域在T个不同时间点对组织样本进行OCT探测，对每个角度区域的T次探测得到的OCT信号进行血流成像算法分析，得到血流成像子图，通过复合不同角度区域的OCT血流成像子图，得到OCT血流图像；系统包括OCT光学相干层析装置、OCT扫描装置、多角度独立成像装置和信号处理器。利用本发明所涉及的多角度复合的血流成像方法获取的血流图像中，提高了动态血流信号与静态组织的运动对比度，降低了系统噪声，提高了信噪比。

Description

多角度复合的血流成像方法及系统

技术领域

本发明大体涉及生物医学成像领域，且更具体地涉及与光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography，OCT)和血流成像(OCT Angiography，OCT-A)相关联的方法、装置及系统。

技术背景

相比于目前的生物医学成像手段，OCT成像技术具有无标记、非接触性、非侵害性、实时性、高灵敏度以及高分辨率等优点。这些优势特征使得OCT在近十多年中发展迅猛，并已经被临床医学广泛接受。OCT系统主要通过探测由于生物样品光学不均匀性所导致的后向散射光光强的变化来获得样品的折射率信息，进而重构样品的光学结构图像。然而在疾病的早期阶段，正常与病变的生物组织间的散射特性的区别很小，以至于难以被检测和判别，因此，这种结构型OCT系统在临床应用上存在许多局限性，并由此催生了许多的功能型OCT系统。功能型OCT系统所展示的各种不同生理信息的对比机制，大大拓展了OCT的使用范围和应用领域。光学微血管造影(OCT Angiography,OCT-A)技术作为一种能够实时地从静态组织背景中高精度提取血流信号的新型技术，能够非侵入性地并实时地监测血管的状态，对与血管相关联的疾病的早期诊断有着重大意义。该技术在被发明以来得到了很快发展，并在眼底血管成像和脑皮层血管成像的研究中得到了应用。

OCT-A信号的时间统计特性表明：组织样品在空间域中某一点处的OCT复数值信号，可表示为OCT相干门内的多个独立微小散射粒子后向散射光的贡献之和，即多个微小独立相幅矢量的复数叠加。对于动态的血流区域，这种运动的血红细胞是独立微小散射体，由于红细胞流动随时间流动，其光学散射信号在时间上是变化的，信号幅度分布特征视为大量随机相幅矢量和的时间统计特性，并服从瑞利分布；对于静态组织区域其信号可视为同一散射体的固定散射信号与随机系统噪声的叠加，并且信号的幅度值服从高斯分布。

为了实现OCT-A，目前通行的做法是以一定的时间间隔，对同一空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置进行多次重复成像。在获取到初始的OCT复信号后，可采用幅度差分、复信号差分、相位差分、多普勒方差、互相关算法等方法来针对血流信号和静态组织的时间统计特性的差异来获取血流信号，提取出动态散射粒子和静态组织的运动对比信息。然而，在光学微血管造影的过程中，普遍会受到多种系统噪声的影响，光学微血管造影的成像质量因此会产生大幅下降。由于将独立信号进行复合，如求平均，能够使信号更加接近真值，降低噪声分布的方差，故为了能够提高运动的血流与静态组织背景的对比度，在实际应用中，通常采用重复扫描的方式，即在样品的同一断层面位置进行重复采样，获得不同时刻的独立的信号。这些时间维度上独立的信号经过复合之后，可改善图像的信噪比，提高血流对比度。然而重复的时间采样影响了系统的成像速度，尤其在宽场成像中，由于系统的扫描速率有限，大量重复的时间采样极大地增加了大视场的成像时间。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种多角度复合的血流成像方法及系统。基于光学相干层析成像(OCT)的无标记、三维、光学微血管造影成像技术，在OCT探测部分区分入射光束和探测光束的不同角度区域；对每个角度区域在不同时间点探测得到的OCT信号进行血流成像算法分析，得到血流成像子图；复合不同角度的OCT血流成像子图，得到最终的OCT血流图像，其具有提高的信噪比和血流对比度。此外，获得具有提高的对比度的血流图像的同时并未降低系统的成像速度。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一、一种多角度复合的血流成像方法：

从N个角度区域对组织样本进行OCT探测；

同一角度区域在T个不同时间点对组织样本进行OCT探测；

对每个角度区域的T次探测得到的OCT信号进行血流成像算法分析，得到血流成像子图；

复合不同角度区域的OCT血流成像子图，得到OCT血流图像。

所述N个角度区域是指区分OCT入射光的角度或者反射光的角度或上述两者形成不同的角度区域。

其中从N个角度区域对组织样本进行OCT探测包括：在所述不同角度区域通过不同的光程延迟进行探测，将N个角度区域编码到M个OCT量程区域；再分割OCT量程，生成N个角度的OCT信号。

其中从N个角度区域对组织样本进行OCT探测包括：对OCT信号在不同时间或空间进行独立探测，根据时间或空间特征进行分割，生成N个角度区域的OCT信号。

所述对OCT信号在不同时间或空间进行独立探测指的是：对于同一角度区域的OCT信号在不同的时刻分别进行探测，对于多个不同角度区域的OCT信号在不同的空间分别进行探测。

通过对所述每个角度区域的T次扫描得到的OCT信号的幅度部分、相位部分或对包含幅度和相位的复数OCT信号分别进行血流成像算法分析，得到血流成像子图。

利用统计特征的方法或者平均运算的方法对不同角度的OCT血流成像子图进行复合处理获得最终的OCT血流图像。

所述的统计特征指的是动态和静态区域的OCT信号的统计特征。

二、一种多角度复合的血流成像系统：

一OCT光学相干层析装置，用于对组织样本进行OCT探测和成像；

一OCT扫描装置，用于在T个不同时间点对组织样本进行OCT探测；

一多角度独立成像装置，用于从N个角度区域对组织样本进行OCT探测；

一个或多个信号处理器，用于对每个角度区域的T次扫描得到的OCT信号进行血流成像算法分析得到血流成像子图，以及复合不同角度区域的OCT血流成像子图，得到OCT血流图像。

所述的多角度独立成像装置包括光程编码与解码装置。

本发明的有益效果和创新点如下：

对比已有技术，本发明通过区分OCT探测的入射光束和样品反射光束的不同角度区域，并对每个角度区域在不同时间点探测到的信号进行算法分析，获得独立的血流成像子图。复合子图得到最终的具有高信噪比和运动对比度的OCT血流图像。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1、目前OCT-A系统容易受到系统噪声的影响，图像质量不稳定。本发明涉及的一种多角度复合的血流成像方法及系统，大大提高了的OCT-A的运动对比度，降低了系统噪声。

2、现有的基于时间的重复扫描技术实现血流成像，极大地限制了成像速度。本发明通过OCT探测并行区分入射光束和样品反射光束的不同角度区域，并对每个角度区域对应的血流成像子图复合后，得到具有高信噪比的血流图像的同时，并未降低系统的成像速度。

附图说明

图1为本发明方法的示意图；

图2为本发明方法所包括的基于光程编码的多角度探测的示意图；

图3为本发明装置的示意图；

图4为本发明示例性实施例的装置示意图；

图5为本发明示例性实施例的方法示意图；

图6为本发明示例性实施例的匀制仿体成像实验结果图；

图7为本发明示例性实施例的活体鼠脑血流成像实验结果图。

其中：1-从N个角度区域OCT探测；2-在T个不同时刻OCT探测；3-不同角度探测信号分析获取血流成像子图；4-复合得到血流图像；11-入射光束；12-扫描镜；13-光程延迟；14-物镜；15-待测样品；16-OCT信号分析；21-OCT扫描装置；22-多角度独立成像装置；23-OCT光学相干层析装置；24-信号处理器；31-扫频光源；32-20:80光纤耦合器；33-第一光环形器；34-参考臂准直镜；35-参考臂聚焦透镜；36-参考臂平面镜；37-偏振控制器；38-50:50光纤耦合器；39-平衡探测器；40-第二光环形器；41-样品臂准直透镜；42-光学延迟片；43-扫描振镜；44-样品臂聚焦透镜，45-待测样品；51-本发明的扫描机制，重复采样一个二维深度平面数次，得到不同时刻的OCT信号；52-经过角度编码的在量程深度z方向上区分的OCT信号；53-在量程深度z方向上区分的OCT-A图；54-分割量程得到不同角度区域的血流子图；55-血流图像。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，附图形成本文的一部分。需要注意的是，这些说明及示例仅仅为示例性的，不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

为了便于理解本发明的实施例，将各操作描述成多个离散的操作，但是，描述的顺序不代表实施操作的顺序。

本描述中针对样品测量空间采用基于空间方向的xyz三维坐标表示。这种描述仅仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用。其中：深度z方向为沿入射光轴的方向；xy平面为垂直于光轴的平面，其中x与y正交，且x表示OCT横向快扫描方向，y表示慢扫描方向。

N，T表示变量，仅仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用，可以是1，2，3等任一数值。

本发明方法如图1所示，在OCT样品臂探测部分，依据入射光和探测样品反射的光的不同角度，区分出N个角度区域，并通过在不同角度区域引入不同的光程延迟，实现角度的量程编码，并对量程分割的方式；或者采取不同时间或空间位置独立探测，并依据时间或空间特征分割的方式，生成N个角度的OCT信号，实现从N个角度区域进行OCT探测1。

在T个不同的时间点分别对每个角度区域的探测得到不同时间点的时间序列OCT信号，实现在T个不同时刻OCT探测2。对于每个角度区域，T次探测得到的OCT信号通过信号分析与血流成像算法运算，可得到对应每个角度区域的血流成像子图，实现了不同角度探测信号分析获取血流成像子图3。这里的血流成像算法依据OCT信号的特征，包括基于OCT信号幅度的、基于OCT信号相位的和基于OCT复数信号(包含幅度和相位信息)的运算。最后通过复合不同角度的血流成像子图，如采用平均等手段，获取OCT血流图像，得到了角度复合的血流图像4。

本发明的方法中所涉及的基于量程编码的多角度探测得到OCT信号如图2示。OCT样品臂中的入射光束11经过扫描镜12反射后，经过物镜14汇聚到待测样品15上。由于光束具有一定的宽度，当通过扫描透镜14会聚时，距离光束轴心宽度的光束以不同的入射角度照射到待测样品上，同时样品反射或散射回的探测光也以不同空间方向的角度经过扫描透镜14后成为平行光束。根据这样的不同角度的光束特性，为了区分不同的角度区域，通过对光束引入不同光程延迟13，使得样品光束由于经过的路径不一样(即对应不同的角度区域)，对应的干涉程差也不一样。从而对探测到的OCT信号经过OCT信号分析16后，在信号的深度z方向上可以区分，即实现了通过OCT量程对角度探测信号的编码。

图3示出的是本发明的多角度复合的血流成像装置的示意图。该装置的主体是OCT光学相干层析成像装置23。在OCT装置的样品臂探测部分，有一OCT扫描装置21。该扫描装置可以根据需要设定合适的扫描方式，结合OCT成像机理可实现对样品三维成像。这里所使用的扫描装置，能够在不同的时间点对组织进行OCT探测；还有一种多角度独立成像装置22，该装置可以区分样品臂光束不同的角度区域。对于每个角度区域，通过OCT探测可以独立获取该角度区域探测到的信号。干涉仪结构的探测信号的输出连接一个或多个处理器24，用于对每个角度区域的多次不同时间点扫描探测到的OCT信号进行分析和算法运用，获得对应每个角度区域的血流成像子图；进一步通过子图得复合，如作平均运算等，得到最终的多角度复合的OCT血流图像。

本发明的实施例如下：

具体实施的系统如图4所示，包括扫频光源31、20:80光纤耦合器32、第一光环形器33、参考臂准直镜34、参考臂聚焦透镜35、参考臂平面镜36、偏振控制器37、50:50光纤耦合器38、平衡探测器39、第二光环形器40、样品臂准直透镜41、光学延迟片42、扫描振镜43、样品臂聚焦透镜44和待测样品45；其中扫描振镜43作为OCT扫描装置21，光学延迟片42和样品臂聚焦透镜44构成了多角度独立成像装置22，其余的扫频光源31、20:80光纤耦合器32、第一光环形器33、参考臂准直镜34、参考臂聚焦透镜35、参考臂平面镜36、偏振控制器37、50:50光纤耦合器38、平衡探测器39、第二光环形器40和样品臂准直透镜41均构成了OCT光学相干层析装置23。

扫频光源31采用中心波长为1300nm，带宽为100nm的波长可调谐垂直腔表面发射激光器，工作时的线扫频率为100kHz；光学延迟片41采用BK7材质的玻璃片，厚度为3.1mm；整套系统的总的成像范围为12mm。本示例性实施例中所使用的装置里，扫频光源31与20:80耦合器32的一侧的一端连接；20:80耦合器32另一侧一端与样品臂准直镜41的入射端连接，样品臂扫描振镜43位于样品臂准直镜41的出射光路上，光学延迟片42位于样品臂准直镜41和扫描振镜43之间，并覆盖了一半的空间光路，样品臂聚焦透镜44位于扫描振镜43反射光路上，待测样品45位于样品臂聚焦透镜44的焦深范围内。20:80耦合器32另一侧的另一端与参考臂准直镜34的入射端连接，参考臂聚焦透镜35位于参考臂准直镜34的出射光路上，参考臂平面镜36位于参考臂准直镜35的焦面；偏振控制器37的一端与参考臂的出射光路相连，另一端连在50:50耦合器38的一侧的一个端口，其另一个端口与样品臂的出射光路相连接，50:50耦合器38的另一侧与探测臂平衡探测器39的两个端口相连。扫频光源31的时钟信号、触发信号被计算机采集，扫频光源31发出的变频光通过20:80光纤耦合器32，宽带光纤耦合器32的20端的光经过光环形器33，进入参考臂准直镜34，经过参考臂聚焦透镜35到达参考臂平面镜36，然后沿原光路返回并进入光环形器33，通过偏振控制器37，进入到50:50光纤耦合器38；20:80光纤耦合器32的80端口的光经过光环形器40后，进入样品臂准直镜41形成平行光，空间光路中部分光通过光学延迟片42、部分光不通过光学延迟片42，经过扫描振镜43和样品臂聚焦透镜44后，投射在待测样品45上，其后向散射光部分沿原光路返回、部分改变光路，并通过光纤环形器40进入50:50耦合器38与参考臂返回的样品光汇合后形成干涉信号，通过宽带光纤耦合器的另两端进入平衡探测器39进行探测，结合光源的时钟和触发信号，经计算机进行采集，得到干涉光谱信号。

图5示出的是本发明所公开的利用本发明的一个示例性实施例中的方法示意图。为了利用图4中示例性实施例给出的装置实现多角度复合血流成像，采取在同一个横向位置x重复扫描的方式获取同一断层面(z，x)在不同时刻t的OCT信号，然后再通过扫描振镜沿着y方向扫描，得到一个在时间轴上的三维OCT信号51，以待后续进行相应的光学微血管造影算法进行处理得到血流图像。由于在图4装置的样品臂光路中加入特定厚度的均匀的光学延迟片42，样品臂光束从空间光路上分为不同的两部分。对于来自空间光路中的不同角度的入射光及后向散射光，依据经过光学延迟片的次数(0次、1次和2次)可划分为3中不同的光程路径。不同的光程路径对应不同入射角度的编码。对于这样的OCT信号，经过傅里叶变换后，获得可区分的量程深度z方向上对应不同角度区域的OCT信号52。利用光学微血管造影的算法，对探测到的每个角度区域的时间T方向的信号作分析，得到在整个量程范围内的血流图像53。并依据不同的光程路径在量程深度方向上进行分割，获得独立的血流子图54。对子图像进行复合，例如：先对所有血流子图信号的强度进行归一化，再对独立的血流子图进行平均，获取最终角度复合的血流图像55，其具有较高的血流对比度。

图6示出的是利用本实施例得到的匀制仿体实验结果。采用图4所示的装置对匀制仿体的同一位置的断层面进行重复扫描，获得时间序列的OCT信号，并运用血流成像算法得到时间序列的OCT-A信号。参考《Journal of Biomedical Optics》中发表的《Statisticalanalysis of motion contrast in optical coherence tomography angiography》一文中所涉及的基于直方图的OCT-A信号统计分析方法，通过分类错误率(ClassificationError Rate,CER)量化评价运用角度复合的血流成像方法的优势，其中CER的定义为动态信号分布与静态分布之间的重叠面积占比，CER越小，意味着动态和静态信号的区分更加明显。图6(a)和(c)分别对应传统的未进行角度复合(即在图4的装置中未放置光学延迟片42)和利用本发明的角度复合的方法得到的匀制仿体某一横断面的OCT-A图像；图6(b)和6(d)分别对应6(a)和6(c)中的OCT-A信号的统计直方图。从图中可以看出：采用角度复合的方法后，CER的值从0.28减小到0.15，即意味着动态血流信号和静态信号之间的区分度更加明显，也即血流对比度得到了提高。同时从图6(c)中的圆形流动信号区域可以看出对比度得到明显地改善。此外，对鼠脑进行活体三维微血管成像实验。图7(a)和7(b)分别示出了利用无角度复合的传统法和本发明提出的角度复合法得到的鼠脑三维微血管造影的最大强度投影图。从图中可以看出：经过角度复合之后的血流图像中的血管及血管脉络相比于组织背景显得更加清楚，血管之间的连接度更清晰。

上述实验对比结果充分说明：利用本发明所涉及的角度复合的血流成像方法获得的血流图像，血流对比度得到了提高，本发明具有其突出显著的技术效果。

Claims (8)

1.一种多角度复合的血流成像方法，其特征在于包括：

从N个角度区域对组织样本进行OCT探测；在不同角度区域通过不同的光程延迟对组织样本进行OCT探测，将N个角度区域编码到M个OCT量程区域；再分割OCT量程，生成N个角度的OCT信号；

同一角度区域在T个不同时间点对组织样本进行OCT探测；

对每个角度区域的T次探测得到的OCT信号进行血流成像算法分析，得到血流成像子图；

复合不同角度区域的OCT血流成像子图，得到OCT血流图像。

2.根据权利要求1所述的一种多角度复合的血流成像方法，其特征在于：所述N个角度区域是指区分OCT入射光的角度或者反射光的角度或上述两者所形成不同的角度区域。

3.根据权利要求1所述的一种多角度复合的血流成像方法，其特征在于：其中从N个角度区域对组织样本进行OCT探测包括：对OCT信号在不同时间或空间进行独立探测，根据时间或空间特征进行分割，生成N个角度区域的OCT信号。

4.根据权利要求3所述的一种多角度复合的血流成像方法，其特征在于：所述对OCT信号在不同时间或空间进行独立探测指的是：对于同一角度区域的OCT信号在不同的时刻分别进行探测，对于多个不同角度区域的OCT信号在不同的空间分别进行探测。

5.根据权利要求1所述的一种多角度复合的血流成像方法，其特征在于：通过对所述每个角度区域的T次扫描得到的OCT信号的幅度部分、相位部分或对包含幅度和相位的复数OCT信号分别进行血流成像算法分析，得到血流成像子图。

6.根据权利要求1所述的一种多角度复合的血流成像方法，其特征在于：利用基于OCT动态血流和静态组织信号统计特征的方法或者平均运算的方法对不同角度的OCT血流成像子图进行复合处理，获得最终的OCT血流图像。

7.用于实施权利要求1~6任一所述方法的一种多角度复合的血流成像系统，其特征在于包括：

一多角度独立成像装置，用于从N个角度区域对组织样本进行OCT探测，在不同角度区域通过不同的光程延迟对组织样本进行OCT探测，将N个角度区域编码到M个OCT量程区域；再分割OCT量程，生成N个角度的OCT信号；

一OCT光学相干层析装置，用于对组织样本进行OCT探测和成像；

一OCT扫描装置，用于在T个不同时间点对组织样本进行OCT探测；

一个或多个信号处理器，用于对每个角度区域的T次扫描得到的OCT信号进行血流成像算法分析得到血流成像子图，以及复合不同角度区域的OCT血流成像子图，得到OCT血流图像。

8.根据权利要求7所述的一种多角度复合的血流成像系统，其特征在于：所述的多角度独立成像装置包括光程编码与解码装置。

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