CN112842286B - 一种基于功能oct的无创血流粘滞度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法，基于高分辨和高扫描速度SDOCT，通过改进现有的扫描模式，在固定的心动周期内，采集目标血管位置进行重复扫描，获取OCT成像信号，通过功能OCT获取得到血管截面流速的分布，后续分析流速分布，无创获得血液黏滞度参数。

Description

一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法
技术领域
本发明具体涉及一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法。
背景技术
血液的粘滞度是形成血流阻力的重要参数，与心血管风险因素密切相关，血液粘滞度是血液的重要特性，其数值越高，对血管壁的剪切压越高，血液流动性越差，高粘滞血症是血栓病发生的早期表现。目前临床上采用主要采用侵入性的抽血方法来检测人体的血液粘滞度指标。首先血液离开人体环境，其环境及成分会发生变化，与在体的环境存在偏差；其次，作为侵入性的检查方法，无法进行多次重复测量，限制了其在临床应用。
光学相干断层成像(Optical coherence tomography，OCT)作为一种非侵入性、非接触、高分辨率的生物组织成像设备，在眼科临床中，尤其是眼底疾病的诊断，已经成为一种必不可少的检查手段。人眼的眼底是唯一可以借助光学设备直接观察血管器官，而OCT可以直接无创观察人眼眼底视网膜组织及血管。近年来，多种不同类型的功能OCT(functional OCT)成像技术[15]获得快速发展，尤其是多普勒OCT(Doppler OCT，D-OCT)可以获取液体的流速，随着各种功能OCT发展，基于功能OCT非侵入性获取血液流变学参数成为可能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法，其步骤如下：
一、对OCT采集的干涉信号进行傅里叶变换获得带有相位信息的相应的血管组织上的光信号Aj，z，并获得多普勒相移Δf：
Figure BDA0002876592630000021
其中φj，z为Aj，z对应的相位，Im(Aj，z)和Re(Aj+1，z)分别为Aj，z对应的实部和虚部，ΔT为两条B扫描之间的时间间隔，j为条数，z为B扫描深度；
二、确定血管流速峰值的时刻；
三、通过多普勒OCT扫描方式获取当前时刻的目标血管的流速
Figure BDA0002876592630000022
其中λc为OCT系统的中心波长，n为视网膜的折射率，Δf为多普勒相移，α为光束与目标血管血流方向的夹角；
四、通过OCT多普勒扫描方式对目标血管进行多次重复B扫描，并获得目标血管位置的横截面上血流流速分布
Figure BDA0002876592630000031
其中v(y)为在血管截面上流速分布函数，u0为血流与血管壁之间的流速，h为血管直径的长度，p为压力；
四、在目标血管截面上进行采样，获取经过血管中心处的多普勒相移，并将其表现为抛物线；
五、对抛物线采用最小二乘法进行二次项函数拟合，Δf＝ah2+bh+c，其中a，b，c为二次函数拟合参数，其中血流粘滞度参数μ为1/a。
步骤一中，在设定心动周期内，对采集目标血管位置进行重复扫描。
获取若干血管流速峰值对应的血管流速分布，并对经由步骤四、步骤五处理获得的若干血流粘滞度参数μ进行平均值处理。
步骤四中，对沿着目标血管垂直方向进行重复B扫描。
每个多普勒采集B扫描范围为0.5mm，由512线组成，每次采集800幅B扫描。
步骤四中，采用3次项插值取100个数据点。
本发明的有益效果：利用OCT在固定心动周期内，对目标血管位置进行重复扫描，通过获取OCT图像，并从中获得血管截面流速的分布，利用获取的血管截面流速的分布获取相关的抛物线，并通过对抛物线进行二次项拟合，从而得到血流粘滞度，实现了非侵入性的血流粘滞度获取。
附图说明
图1a为为视网膜血管横截面上血流分布示意图。
图1b为血管内血流层流状态示意图，→：箭头方向指示血流的方向，箭头长度表示流速。
图1c为图1b中血管截面上血流流速分布示意图。
图2为眼底动脉血管扫描模式示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于功能OCT的多普勒成像技术可以获取整个视网膜血管截面上的流速分布信息，直接反映血液的层流状态。根据流体力学，血液可以看成均质液体，视网膜血管中血液处于层流状态，即血管轴心处流速最快，越近管壁的轴层流速越慢，各轴层速度矢量为一抛物线。整个截面上抛物线变化速度，就是血流切率(Shear rate)，与血液粘滞度在一定流速范围内成线性相关。视网膜血管血液流速分布状态为抛物线形态，其抛物线的二次参数与血液粘滞度成正比。
本发明公开了一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法，其步骤如下：
一、对OCT采集的干涉信号进行傅里叶变换获得带有相位信息的相应的血管组织上的光信号Aj，z，并获得多普勒相移Δf：
Figure BDA0002876592630000051
其中φj，z为Aj，z对应的相位，Im(Aj，z)和Re(Aj+1，z)分别为Aj，z对应的实部和虚部，ΔT为两条B扫描之间的时间间隔，j为条数，z为B扫描深度；
二、确定血管流速峰值的时刻；
三、通过多普勒OCT扫描方式获取当前时刻的目标血管的流速
Figure BDA0002876592630000052
其中λc为OCT系统的中心波长，n为视网膜的折射率，Δf为多普勒相移，α为光束与目标血管血流方向的夹角；
四、通过OCT多普勒扫描方式对目标血管进行多次重复B扫描，并获得目标血管位置的横截面上血流流速分布
Figure BDA0002876592630000053
其中v(y)为在血管截面上流速分布函数，u0为血流与血管壁之间的流速，h为血管直径的长度，p为压力；
四、在目标血管截面上进行采样，获取经过血管中心处的多普勒相移，并将其表现为抛物线；
五、对抛物线采用最小二乘法进行二次项函数拟合，Δf＝ah2+bh+c，其中a，b，c为二次函数拟合参数，其中血流粘滞度参数μ为1/a。
本发明采用谱域OCT系统(High resolution spectral-domain OCT)系统采集成像数据，系统采用的光源中心波长为850nm，带宽为100nm，在视网膜上的轴向分辨率可高达3μm，扫描速度可达70,000线/秒。系统高成像分辨率可以满足眼底血管形态及走形的准确提取，高扫描速率可以满足功能OCT动态成像，减少患者眼动引起的干扰。为提高D-OCT-BV参数的重复性，以及保证在随访过程中对同一血管位置获取血流参数。
与普通OCT的扫描模式不同，本发明主要目的是获取特定血管截面上的信息，不需要很大的拍摄范围，因此将依次采集颞上、颞下、鼻下、鼻上动脉分支血管在距离1.5个视盘半径(约2.5mm)处的血流动力学参数。对于多普勒OCT扫描，对沿着目标血管垂直方向(手动选择)进行重复B扫描，获取目标血管位置上横截面上血流流速分布。因为血流搏动信号高度动态变化的特点，为保证能够至少获取到5个完整心动周期内的血流流速变化，在考虑到心跳速率较低的情况下(每分钟60次)，需要总采集时间大于5秒。因此每个多普勒采集B扫描范围为0.5mm(视网膜动脉血管直径约0.1～0.2mm)，由512线组成(高密度采集)，每次采集800幅B扫描(约5.8秒)。在扫描速度为70,000线/秒的情况下，一个心动周期内(平均心跳为每分钟75次)可以采集大约100幅图像(数据点)，保证能够获取到血管截面上流速分布信息变化。
通过OCT采集的干涉信号通过傅里叶变换获得带有相位信息相应的血管组织上的光信号(Aj，z)，可以计算获得多普勒相移Δf，其图如上图1(a)所示，多普勒相移Δf与血流的速度成正比。在视网膜血管中的血流为层流状态，中间血流速度快，周边血流速度慢。在目标血管截面上进行采样，获取经过血管中心处的多普勒相移(图1a白色横线)，并做3次项插值为100个数据点。最终可以获得如上图1(a)虚线所示的对应的图1(a)白色横线上的多普勒相移，表现为抛物线形状。基于最小二乘法进行二次项函数拟合，拟合函数如下所示：
Δf＝ah2+bh+c
其中a，b，c为二次函数拟合参数，结合血流分布和多普勒相移可知，二次项参数(a)与血液的粘滞度(μ)成反比，因此可以获得基于功能OCT的血流粘滞度参数(1/a)。
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法，其特征在于：其步骤如下：
一、对OCT采集的干涉信号进行傅里叶变换获得带有相位信息的相应的血管组织上的光信号Aj，z，并获得多普勒相移Δf：
Figure FDA0002876592620000011
其中φj，z为Aj，z对应的相位，Im(Aj，z)和Re(Aj+1，z)分别为Aj，z对应的实部和虚部，ΔT为两条B扫描之间的时间间隔，j为条数，z为B扫描深度；
二、确定血管流速峰值的时刻；
三、通过多普勒OCT扫描方式获取当前时刻的目标血管的流速
Figure FDA0002876592620000012
其中λc为OCT系统的中心波长，n为视网膜的折射率，Δf为多普勒相移，α为光束与目标血管血流方向的夹角；
四、通过OCT多普勒扫描方式对目标血管进行多次重复B扫描，并获得目标血管位置的横截面上血流流速分布
Figure FDA0002876592620000013
其中v(y)为在血管截面上流速分布函数，u0为血流与血管壁之间的流速，h为血管直径的长度，p为压力；
四、在目标血管截面上进行采样，获取经过血管中心处的多普勒相移，并将其表现为抛物线；
五、对抛物线采用最小二乘法进行二次项函数拟合，Δf＝ah2+bh+c，其中a，b，c为二次函数拟合参数，其中血流粘滞度参数μ为1/a。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法，其特征在于：步骤一中，在设定心动周期内，对采集目标血管位置进行重复扫描。
3.根据权利要求1所述的一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法，其特征在于：获取若干血管流速峰值对应的血管流速分布，并对经由步骤四、步骤五处理获得的若干血流粘滞度参数μ进行平均值处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法，其特征在于：步骤四中，对沿着目标血管垂直方向进行重复B扫描。
5.根据权利要求1所述的一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法，其特征在于：每个多普勒采集B扫描范围为0.5mm，由512线组成，每次采集800幅B扫描。
6.根据权利要求1所述的一种基于功能OCT的无创血流粘滞度测量方法，其特征在于：步骤四中，采用3次项插值取100个数据点。
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