CN111568373A - 一种重复扫描的octa毛细血管网成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重复扫描的OCTA毛细血管网成像方法，包括如下步骤：(1)利用OCT系统重复两次扫描待测血管网络组织，获得OCT光谱信号；(2)利用傅里叶变换处理OCT原始信号构建组织的OCT图像复数信号；(3)利用图像相关算法分析不同OCT图像，获得同一物理位置的OCT图形信号；(4)利用差分法提取步骤(3)中两幅图像的细胞动态信息；(5)分析细胞运动误差，根据相位校正算法去除运动抖动和全局噪声产生的伪影；(6)生成最终OCTA毛细血管造影图像。本发明实现并提高了毛细血管造影信噪比和对比度，可以有效抑制图像背景噪声、增强毛细血管网络成像的清晰度。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学成像技术领域，尤其是一种重复扫描的OCTA毛细血管网成像方法。
背景技术
光学相干层析成像(Optical coherence tomography，OCT)是一种非侵入、无接触的快速成像方式，广泛应用于临床视网膜灌注和黄斑等眼科疾病的诊断。由于其成像快速、分辨率高的特点，也广泛应用于啮齿类动物大脑皮层毛细血管网络的探测和成像。毛细血管是保证细胞正常为人体输送养分的重要组织，同时也为各器官的新陈代谢提供出口，广泛分布于人体的动脉和静脉之间，由于数量极多常以网络形式遍布全身。但大脑中枢皮质层中小静脉和小静脉通过毛细血管连接，其直径远小于身体其他部位的毛细血管。血液灌注类疾病会引发局部细胞流速异常，因此对脑类血液灌注类疾病的诊断需要分辨大脑局部血液流动，通过判断目标区域毛细血管网络的细胞流动诊断疾病的严重等级。
1991年，由D.huang课题组提出OCT技术开始，基于迈克尔逊干涉仪的光学相干系统开始用于成像。随后，设备和技术不断发展成熟，越来越多基于OCT的功能成像技术被提出，成像速度不断提成，OCT图像分辨率和信噪比不断提高。例如第一种用于三维成像的时域OCT(TDOCT)，利用参考臂的机械运动反射光与组织后向散射光相干获得组织结构信息，成像速度大大受限于参考臂的运动速度，很快取而代之的基于光谱分析和傅里叶变换的傅里叶OCT(FDOCT)利用并行方式采集组织信息，由于不再受参考臂运动速度限制大大提高了成像速度，其中结合宽谱光源和高速点探测器成像的扫频源OCT(SSOCT)和利用线阵CCD和光栅光谱仪的谱域OCT(SDOCT)是两种主要的傅里叶OCT，利用傅里叶变换处理探测的干涉信号即可获得待测组织的结构信息和其他待测信息。
此前，利用功能性磁共振(fMRI)技术被用于血管成像，但分辨率仅达到毫米量级，远低于毛细血管成像所需分辨率。传统双光子共焦显微镜也用于血管成像，虽然可以达到微米量级，但仍不能对单个直径仅5～7um的毛细血管网络进行高分辨率成像。多普勒OCT(DOCT)广泛用于血液流速的测量，但要求探测光不能与被探测面垂直，实际情况中血管与探测光近似可看作垂直，同时，DOCT探测的血液流速灵敏度远大于微小毛细血管中血液流速，因此也不适用于对大脑中枢毛细血管网络的功能成像。光学相干断层血管造影(OCTA)是一种将血管中流动的细胞作为内在造影剂提取细胞运动相位信息的先进成像技术，具有无接触式、易操作、成本低等特点，对小毛细血管成像快速高效，在大脑血管疾病和能量分布的前沿研究中应用广泛。利用OCTA技术检测毛细血管中细胞流动有助于人们对脑中风、阿尔兹海默症、高血压颅内出血等血液灌注类疾病的致病机理和生理机理进行深入了解和认识。成像质量提高有助于疾病诊疗的临床依据不断完善，为不断精细和高效诊治初期病人贡献新方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种重复扫描的OCTA毛细血管网成像方法，实现并提高了毛细血管造影信噪比和对比度，可以有效抑制图像背景噪声、增强毛细血管网络成像的清晰度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种重复扫描的OCTA毛细血管网成像方法，包括如下步骤：
(1)利用OCT系统重复两次扫描待测血管网络组织，获得OCT光谱信号；
(2)利用傅里叶变换处理OCT原始信号构建组织的OCT图像复数信号；
(3)利用图像相关算法分析不同OCT图像，获得同一物理位置的OCT图形信号；
(4)利用差分法提取步骤(3)中两幅图像的细胞动态信息；
(5)分析细胞运动误差，根据相位校正算法去除运动抖动和全局噪声产生的伪影；
(6)生成最终OCTA毛细血管造影图像。
优选的，步骤(3)中，利用图像相关算法分析不同OCT图像获得同一位置处的OCT图像，具体包括如下步骤：
(31)提取两次扫描的信号构建出的OCT图像；
(32)分析两次扫描的所有OCT图像所用公式为：
式中，Rxy(τ)是互相关系数，x(t)表示扫描镜横向运动关于时间的函数，τ是相邻位置扫描时间间隔，y(t+τ)表示扫描组织的深度关于时间的函数，T是积分时长。
优选的，步骤(4)中，利用差分法提取步骤(3)中同一位置不同时间扫描得出两幅图像的细胞运动信息，所用公式为：Iangi(x,z)＝|A2(x,z)-A1(x,z)|2，式中A1(x,z)和A2(x,z)是在同一位置处扫描得到的OCT图像的二维复值形式；x是快速扫描方向的横向位置；z是扫描深度方向的轴向位置；Iangi(x,z)是OCT图像中的细胞流动的信息。
优选的，步骤(5)中，所述分析细胞运动误差，根据相位校正算法去除运动抖动和全局噪声产生的伪影，具体包括如下步骤：
(51)分析相位造影产生原因包括生理运动和系统噪声，将运动信息重新表示为:
其中，Δx和Δz分别是横向和轴向运动体位移；
是相位调制；
(52)针对生理运动产生的全局相移，利用公式：A(x,t)＝-arg[∫R(z,x,t)R*(z,x,t0)dz]和L(z,t)＝-arg[∫R(z,x,t)R*(z,x,t)dx]分别表示横向扫描运动信息与时间的关系和轴向扫描与时间的关系，式中，R(z,x,t)是OCT的复数信号，R*(z,x,t0)是R(z,x,t)参考臂时间为t0的复共轭信号。
所述利用相同时间间隔对组织样本进行重复OCT扫描可以通过以下方式之一：通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法；利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法；利用扫频源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法。
所述利用相同时间间隔对组织样本进行重复OCT扫描方式进一步包括：在相同时间间隔内对组织样本的相同或相邻空间位置进行扫描。
所述利用不同深度反射光强分布对组织进行OCT图像重建，包括对同一位置不同时间重复扫描获取OCT复数信号或幅度、或相位或包含幅度和相位的复数信号进行分析；所述对同一位置不同时间的OCT复数信号或幅度、或相位或包含幅度和相位的复数信号进行分析，进一步包括利用傅里叶变换处理OCT复数信号，构建三维OCTA血管造影图像。
所述分析两次扫描OCT图像判断同一位置不同时间连续OCT图像，包括：对重复扫描重建所有OCTA血管造影，根据图像相关程度，建立复杂信号相关算法，精确获得同一位置不同时间连续扫描OCTA血管造影图像。
所述利用细胞运动与静态组织差分对比生成OCTA血管造影，包括：根据组织与血液相对运动获取细胞流动信息；所述利用细胞运动与静态组织差分生成OCTA血管造影，具体包括：根据细胞流动建立差分法，对连续两幅OCTA血管造影图差分，去除静态组织信息，获得OCTA血管造影图像；
所述利用细胞运动(血管)相位信息对OCTA血管造影去除伪影，包括：对同一位置不同时间连续扫描OCTA血管造影图像利用运动校正进行分析，校正运动相位消除运动伪影，获得增强OCTA血管造影图像。
所述利用细胞运动(血管)相位信息对OCTA血管造影去除伪影，具体包括：根据生理运动强度，建立运动校正算法，具体包括光谱校准，获得主要血管造影图像，根据运动相位误差理论，利用相位校准和幅度补偿，获得增强的OCTA血管造影图像。
本发明的有益效果为：本发明实现并提高了毛细血管造影信噪比和对比度，可以有效抑制图像背景噪声、增强毛细血管网络成像的清晰度，在临床生物医学光学成像领域具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的装置结构示意图。
图3(a)为本发明中涉及到的噪声对血管造影的影响示意图。
图3(b)为本发明中涉及到的噪声对血管造影的影响示意图。
图4(a)为本发明实施例的活体鼠脑毛细血管网络成像结果示意图。
图4(b)为本发明实施例的活体鼠脑毛细血管网络成像结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种重复扫描的OCTA毛细血管网成像方法，包括如下步骤：
(1)利用OCT系统重复两次扫描待测血管网络组织，获得OCT光谱信号；
(2)利用傅里叶变换处理OCT原始信号构建组织的OCT图像复数信号；
(3)利用图像相关算法分析不同OCT图像，获得同一物理位置的OCT图形信号；
(4)利用差分法提取步骤(3)中两幅图像的细胞动态信息；
(5)分析细胞运动误差，根据相位校正算法去除运动抖动和全局噪声产生的伪影；
(6)生成最终OCTA毛细血管造影图像。
步骤(3)中，利用图像相关算法分析不同OCT图像获得同一位置处的OCT图像，具体包括如下步骤：
(31)提取两次扫描的信号构建出的OCT图像；
(32)分析两次扫描的所有OCT图像所用公式为：
式中，x(t)表示扫描镜横向运动关于时间的函数，τ是相邻位置扫描时间间隔，y(t+τ)表示扫描组织的深度关于时间的函数。
步骤(4)中，利用差分法提取步骤(3)中同一位置不同时间扫描得出两幅图像的细胞运动信息，所用公式为：Iangi(x,z)＝|A2(x,z)-A1(x,z)|2，式中A1(x,z)和A2(x,z)是在同一位置处扫描得到的OCT图像的二维复值形式；x是快速扫描方向的横向位置；z是扫描深度方向的轴向位置；Iangi(x,z)是OCT图像中的细胞流动的信息。
步骤(5)中，所述分析细胞运动误差，根据相位校正算法去除运动抖动和全局噪声产生的伪影，具体包括如下步骤：
(51)分析相位造影产生原因包括生理运动和系统噪声，将运动信息重新表示为:
其中，Δx和Δz分别是横向和轴向运动体位移；
是相位调制；
(52)针对生理运动产生的全局相移，利用公式：A(x,t)＝-arg[∫R(z,x,t)R*(z,x,t0)dz]和L(z,t)＝-arg[∫R(z,x,t)R*(z,x,t)dx]分别表示横向扫描运动信息与时间的关系和轴向扫描与时间的关系，式中，R(z,x,t)是OCT的复数信号，R*(z,x,t0)是R(z,x,t)参考臂时间为t0的复共轭信号。
所述利用相同时间间隔对组织样本进行重复OCT扫描可以通过以下方式之一：通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法；利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法；利用扫频源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法。
所述利用相同时间间隔对组织样本进行重复OCT扫描方式进一步包括：在相同时间间隔内对组织样本的相同或相邻空间位置进行扫描。
所述利用不同深度反射光强分布对组织进行OCT图像重建，包括对同一位置不同时间重复扫描获取OCT复数信号或幅度、或相位或包含幅度和相位的复数信号进行分析；所述对同一位置不同时间的OCT复数信号或幅度、或相位或包含幅度和相位的复数信号进行分析，进一步包括利用傅里叶变换处理OCT复数信号，构建三维OCTA血管造影图像。
所述分析两次扫描OCT图像判断同一位置不同时间连续OCT图像，包括：对重复扫描重建所有OCTA血管造影，根据图像相关程度，建立复杂信号相关算法，精确获得同一位置不同时间连续扫描OCTA血管造影图像。
所述利用细胞运动与静态组织差分对比生成OCTA血管造影，包括：根据组织与血液相对运动获取细胞流动信息；所述利用细胞运动与静态组织差分生成OCTA血管造影，具体包括：根据细胞流动建立差分法，对连续两幅OCTA血管造影图差分，去除静态组织信息，获得OCTA血管造影图像；
所述利用细胞运动(血管)相位信息对OCTA血管造影去除伪影，包括：对同一位置不同时间连续扫描OCTA血管造影图像利用运动校正进行分析，校正运动相位消除运动伪影，获得增强OCTA血管造影图像。
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装置包括：OCT光学相干层析装置，用于对组织样本进行OCT探测和成像；OCT多次重复扫描装置，用于对不同时间对组织样本进行探测；一个或多个信号处理器，用于对重复信号扫描得到的OCT信号进行分析，得到初步OCT图像。一个或多个信号处理器，用于初步的OCT图像优化处理。所述的一种光源和探测装置是采用以下的一种：包括低相干光源、干涉仪和探测器；或者包括低相干光源、干涉仪和光谱仪；或者包括扫频宽光谱光源、干涉仪和探测器。所述的OCT扫描装置中可选择地装配一个可见光指示装置，用于指示OCT探测光束的位置，指导探测目标的放置位置。
本系统实施流程图如图1所示，通过OCT系统重复两次扫描待测血管网络组织，获得组织结构的OCT光谱信号，数据处理重构OCT图像复信号，根据图像相关程度找到同一位置不同时间扫描图像，分析此两幅图像中细胞与组织的相对运动初步获得OCTA血管造影图像。根据运动伪影的形成原因分析全局相移和局部抖动相移，以达到校正运动相位去除伪影的目的。最终形成增强的OCTA血管造影图像。
图2为OCT系统结构示意图。该装置的低相干干涉测量部分的主体结构为一干涉仪，其中光源发出的光被分成两部分光束：其中的一束光进入到干涉仪的参考臂，通过参考臂准直镜照射于平面反射镜上；另一束光进入到样品臂，经过准直透镜和扫描装置光路聚焦到待测样品上。其中扫描装置光路中，光束经过二维扫描振镜和45°折反射棱镜后，经过物镜聚焦在待测样品上。而后参考臂和样品臂各自反射回的光发生干涉后由干涉信号探测装置接收，干涉信号探测装置再连接到信号处理器模块与计算单元。
依据低相干干涉探测信号的方式不同，图2所示的一种重复扫描的OCT血管成像系统装置包括：
(1)时间域测量装置。光源采用宽带低相干光，平面反射镜可沿光轴方向运动，干涉信号探测装置为一点探测器。通过移动参考臂平面反射镜改变参考臂光程，两臂的干涉信号由点探测器探测到，对某一空间深度的Z方向的散射信号的低相干干涉探测，从而得到深度空间维度的采样体。
(2)光谱域测量装置。光源采用宽带低相干光，平面反射镜固定不动，干涉信号探测装置采用光谱仪。干涉信号经过光谱仪中的线阵相机同时记录干涉光谱。采用傅里叶分析方法分析干涉光谱信号，并行获取深度Z方向的散射信息，从而得到深度维度空间采样体。
(3)扫频测量装置，光源采用扫频源，平面反射镜固定不动，干涉信号探测装置采用点探测器。点探测器分时记录扫频源的地相干干涉光谱。采用傅里叶分析干涉信号，并行获取深度Z方向的散射信息，从而获得深度维度空间的采样体。
对于上述不同的测量装置，可分别结合图2叙述中所涉及的OCT扫描成像方式，对探测OCT信号傅里叶变换获得OCT图像，根据图像相关程度判断同一位置的OCT图像，分析细胞与组织的相对运动提取细胞运动相位信息，相位校正生成增强的OCTA毛细血管造影图像。
图3(a)和(b)分别示出的是透明散射静态组织样本模型的深度截面图和量化系统噪声等级的强度变化系数关于轴向分布的函数曲线。在二维断层图像中，图像强度随系统噪声等级变化而快速变化。由此说明本发明的强度变化系数函数作为扫描轴向深度函数可以有效抑制系统噪声，优化扫描深度获得准确的血管造影。
图4(a)和(b)分别示出了利用光学相干层析血管造影技术获得的初步OCTA血管造影图像最大强度投影图和采用本发明技术中经过重复扫描和运动校正算法获得的OCTA毛细血管造影图像的最大强度投影图。从图中可以看出经过重复扫描和运动校正后的最大强度投影图中的血管及血管脉络相比组织背景更加清晰，血管之间的连接更加清楚，统计结果也表明本发明将系统噪声等级量化为强度变化系数对成像深度的影响提高至0.37以上。
上述实验对比结果充分表明：利用本发明所涉及的重复扫描和运动校正的血管造影方法获得的血管造影图像可以有效抑制噪声，在增强血管与组织对比度，提高图像信噪比和系统对运动细胞的灵敏度方面，具有极其突出的技术效果。
目前OCT系统中存在系统噪声和生物体呼吸、心跳等扰动的影响，背景噪声强，单独的运动对比度不能完全去除静态组织，使血流图像的信噪比和对比度低，细胞运动灵敏度差。本发明涉及的重复扫描对大脑中枢皮质层毛细血管成像方法，有效降低了背景噪声，大大提高了OCTA血流图像中血管与背景的对比度，改善血管造影图像的信噪比。
现有的光学微血管造影仅通过运动对比度实现成像，背景噪声强，血管信号和背景组织的对比度低。本发明通过重复扫描对大脑毛细血管单独成像的方法，以相同时间间隔对组织样本同一空间位置进行重复扫描，在OCT探测基础上，首先根据强度分布进行三维重构获得初步OCT图像信息；根据不同扫描的图像信号的相关程度建立复杂信号相关算法找出同一位置处连续扫描OCT图像；然后分析图像中细胞与组织相对运动，获得血管造影。利用差分法去除组织信息，增强细胞运动相位信息。最后建立运动校正算法对细胞运动相位进行相位调制和幅度补偿去除血管造影伪影，得到增强对比度的OCTA图像。本发明中的方法能够在OCTA细胞运动造影的基础上，利用图像相关程度有效提取细胞运动相位信息，并利用运动校正算法有效排除系统扰动噪声和生物体呼吸、心跳等扰动带来的噪声。该方法能够有效突出血管信息，抑制背景噪声和生理运动的扰动，增强血管对比度。
对比已有毛细血管成像技术，本发明通过相同时间间隔重复扫描组织并探测OCT信号，并对OCT信号强度分布进行三维重构获得初步OCT图像信息；根据相关程度建立复杂信号相关算法找出同一位置处的连续扫描OCT图像；然后分析图像中细胞与组织相对运动，获得血管造影。利用差分法去除组织信息，增强细胞运动相位信息。最后建立运动校正算法对细胞运动相位进行相位调制和幅度补偿去除血管造影伪影，得到增强对比度的OCTA图像，抑制噪声，提高信噪比和细胞运动灵敏度，增强血管与背景对比度。
本发明基于光学相干层析成像无标记、非侵入、三维血管造影技术，首先对组织重复扫描，利用图像相关性找出同一位置连续扫描图像，根据细胞运动与组织相对运动获得初步OCTA血管造影图像，然后利用运动校正去除血管造影伪影，增强成像对比度和信噪比，降低系统扰动和生理运动带来的背景噪声。其中，血管信息提取方法包括将组织重复扫描，利用连续两幅扫描图像复数信号差分获得细胞运动相位；去除血管造影伪影的运动校正方法包括光谱校准、相位调制和幅度补偿。利用本发明可以对直径仅5～7um的大脑毛细血管进行造影，且可以有效抑制噪声，增强组织与血管信噪比和对比度，提高血流探测灵敏度。
Claims (4)
1.一种重复扫描的OCTA毛细血管网成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用OCT系统重复两次扫描待测血管网络组织，获得OCT光谱信号；
(2)利用傅里叶变换处理OCT原始信号构建组织的OCT图像复数信号；
(3)利用图像相关算法分析不同OCT图像，获得同一物理位置的OCT图形信号；
(4)利用差分法提取步骤(3)中两幅图像的细胞动态信息；
(5)分析细胞运动误差，根据相位校正算法去除运动抖动和全局噪声产生的伪影；
(6)生成最终OCTA毛细血管造影图像。
2.如权利要求1所述的重复扫描的OCTA毛细血管网成像方法，其特征在于，步骤(3)中，利用图像相关算法分析不同OCT图像获得同一位置处的OCT图像，具体包括如下步骤：
(31)提取两次扫描的信号构建出的OCT图像；
(32)分析两次扫描的所有OCT图像所用公式为：
式中，Rxy(τ)是互相关系数，x(t)表示扫描镜横向运动关于时间的函数，τ是相邻位置扫描时间间隔，y(t+τ)表示扫描组织的深度关于时间的函数，T是积分时长。
3.如权利要求1所述的重复扫描的OCTA毛细血管网成像方法，其特征在于，步骤(4)中，利用差分法提取步骤(3)中同一位置不同时间扫描得出两幅图像的细胞运动信息，所用公式为：Iangi(x,z)＝|A2(x,z)-A1(x,z)|2，式中A1(x,z)和A2(x,z)是在同一位置处扫描得到的OCT图像的二维复值形式；x是快速扫描方向的横向位置；z是扫描深度方向的轴向位置；Iangi(x,z)是OCT图像中的细胞流动的信息。
4.如权利要求1所述的重复扫描的OCTA毛细血管网成像方法，其特征在于，步骤(5)中，所述分析细胞运动误差，根据相位校正算法去除运动抖动和全局噪声产生的伪影，具体包括如下步骤：
(51)分析相位造影产生原因包括生理运动和系统噪声，将运动信息重新表示为:
其中，Δx和Δz分别是横向和轴向运动体位移；
是相位调制；
(52)针对生理运动产生的全局相移，利用公式：A(x,t)＝-arg[∫R(z,x,t)R*(z,x,t0)dz]和L(z,t)＝-arg[∫R(z,x,t)R*(z,x,t)dx]分别表示横向扫描运动信息与时间的关系和轴向扫描与时间的关系，式中，R(z,x,t)是OCT的复数信号，R*(z,x,t0)是R(z,x,t)参考臂时间为t0的复共轭信号。
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