CN113905665A - 固有对照物光学互相关小波血管造影 - Google Patents

Abstract

以比心搏频率更快的速率获得患者的时序光学图像序列，其中时序图像序列捕获固有对照物的一个或多个物理特性。从患者获得互相关信号。对时序光学图像序列应用小波变换分析，以产生心搏频率现象的时空表示。互相关小波变换分析包括对时序光学图像序列执行小波变换以获得小波变换信号，将小波变换信号与互相关信号互相关以获得互相关信号，对心搏频率处的互相关信号进行滤波以获得滤波信号，并对滤波信号执行逆小波变换以获得时序光学图像序列的时空表示。生成心搏频率现象的图像。

Description

固有对照物光学互相关小波血管造影

相关申请交叉引用

本申请要求于2019年4月4日提交的美国临时申请第62/829,290号的优先权，该临时申请的内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本领域通常涉及使用应用于以比心率更快的速率获取的血管造影图像序列的小波数学或类似数学技术来重建运动血管脉搏波的时空图像，并且具体地，涉及使用固有对照物来重建时空图像。

背景技术

血管造影是一种x射线研究，在该研究中将化学造影剂注射到血液中并获得一系列x射线。注射的化学造影剂作为团注(bolus)通过血管系统，并从动脉子系统通过毛细血管到达静脉子系统。化学造影剂阻止x射线通过，使通过x射线的几何形状在到达二维x射线探测器阵列时产生图像。静脉施用的光学化学造影剂的示例为吲哚菁绿(ICG)。化学造影剂被包含在血管壁内，因此，其空间分布与血管腔内结构相对应。系统循环中的血液从心脏单向串联流向动脉，通过毛细血管流向静脉，然后返回心脏。因此，血管造影可用于区分动脉和静脉子系统的特性。因此，血管造影图像序列内图像的相对定时传达了关于特定循环子系统的血管解剖和生理学的信息。基于注射化学造影剂的血管造影图像通常显示来自非血管组织的血管结构(诸如血管)的空间分辨率，因为血管壁形成化学造影剂的锐利边界。可通过增加化学造影剂的注射剂量来增加空间分辨率。然而，增加剂量通常会产生病态的副作用，诸如增加肾损害的风险，或者对于肾功能受损的患者，会产生毒性副作用。因此，静脉施用化学造影剂有许多缺点，包括毒性，通常不适合患有肾脏疾病或其它疾病的个人。

美国专利第10,123,761号教导使用应用于以比心率更快的速率获取的血管造影图像的互相关小波数学来重建运动血管脉搏波的电影图像，该专利通过引用整体并入本文。然而，该方法基于静脉注射的含有造影剂的结构捕获有关心搏频率变化和运动的数据。

本领域已知其它成像技术。例如，Wu在US9811901和US9324005中所教导的欧拉放大法已用于产生放大的视觉效果。这些技术依赖于基于包含放大项的泰勒展开式的数学运算。Wu教导的程序要求用户选择空间频率截止滤波器和放大因子α。然而，这些技术不同于本申请中提供的技术，并且不提供使用固有对照物重建血管造影数据中的心搏频率现象的方法。

其它成像技术(诸如光学相干层析成像)已用于生成组织(包括血管化组织)的有限范围的结构的三维图像。该技术可用于血管内注射化学造影剂，如荧光素，以生成三维光学血管造影。正如Chen(US6549801和US7359062)和其它人所教导的那样，红细胞的行进对光学相干层析成像中采用的光的波长产生多普勒效应。

虽然有多种成像技术可用，但需要能够在无需静脉施用造影剂和/或具有改善的患者安全状况的情况下重建血管造影数据中的心搏频率现象的成像技术。

发明内容

本发明的实施例涉及用于使用固有对照物重建血管造影数据中的心搏频率现象的系统、方法和计算机可读介质。由光学系统以比心搏频率更快的速率获得的患者的时序光学图像序列，其中时序图像序列捕获固有对照物的一个或多个物理特性。从患者获得互相关信号。对时序光学图像序列应用互相关小波变换分析，以产生心搏频率现象的时空表示。互相关小波变换分析可包括对时序光学图像序列执行小波变换以获得小波变换信号，将小波变换信号与互相关信号互相关以获得互相关信号，以心搏频率对互相关信号进行滤波以获得滤波信号，并对滤波信号执行逆小波变换以获得时序光学图像序列的时空表示。从时空表示生成心搏频率现象的图像。

在一方面中，在一个或多个重建的图像中显示时空重建。

在另一方面中，获得同时测量的心脏信号，并将同时测量的心脏信号与小波变换信号互相关。

在一方面中，图像通过光学显微镜、近红外显微镜、超声波或多普勒技术获得。

在另一方面中，图像是通过对具有血管结构的身体成像获得的。

在一方面中，固有对照物包括热辐射、光学反射或自发荧光。

在另一方面中，重建的血管造影作为电影视频序列提供。

在一方面中，获取具有静脉注射的化学造影剂的第二时序图像序列，并生成从静脉注射的化学造影剂获得的图像的第二时空表示。将利用固有对照物获得的图像的时空表示与利用静脉注射的化学造影剂获得的图像的第二时空表示配对。基于配对来校准利用固有对照物获得的图像的第二时空表示。

这些技术的其它目的和优点将从说明书和附图中显而易见。

附图说明

参考附图描述本发明的示例实施例，其中：

图1A和1B是根据本公开的各方面的用于利用固有对照物光学血管造影的示例系统的示意图。图1A示出了在手术室设置中获得可见光和近红外信号的系统。图1B示出了移动系统。

图2示出了根据本公开的各方面的使用作为血管内造影剂施用的吲哚菁绿造影剂利用图1A的系统获得的可见和近红外血管造影图像。

图3示出了根据本公开的各方面的使用近红外光谱中的固有对照物而不是血管内施用的化学造影剂利用图1A的系统获得的可见和近红外血管造影图像。

图4根据本公开的各方面的将在皮肤和面部的血管结构内可视化的可见波长的固有对照物光学血管造影与头颅的化学血管内造影剂x射线血管造影进行比较。

图5是可以与本公开的各方面一起使用的计算机系统或信息处理设备的框图。

图6是示出了根据本发明的方面的用于固有对照物光学血管造影的技术的流程图。

具体实施方式

目前的技术主要是利用固有对照物和互相关小波血管造影对心搏频率现象进行时空重建。如本文所用，术语“互相关小波血管造影”是指通过应用于以比心率更快的速率获取的血管造影图像序列的小波数学来重建运动血管脉搏波的时空图像，例如，如美国专利第10,123,761号中所述，该专利通过引用整体并入本文。

在其它方面中，其它数学技术可用于重建具有固有对照物的移动血管脉搏波的时空图像。例如，可以利用其它数学计算技术(包括窗口傅里叶变换)执行固有对照。在又其它示例中，固有对照物可与涉及带通滤波器和放大的其它技术一起使用，如2020年3月27日提交的共同未决专利申请16/832,695中所述，该专利申请通过引用整体并入本文。

本技术允许使用固有对照物而不是血管内施用的造影剂进行时空重建。这种方法提高了安全性并且适用于肾脏疾病患者。可选地，本技术可用于执行固有对照物互相关小波血管造影和血管内施用造影剂互相关小波血管造影。另一种选项是使用现有技术结合常规血管造影执行固有对照物互相关小波血管造影。

如本文所使用的术语“固有对照物(intrinsic contrast)”是指可在不施用化学造影剂的情况下记录并局限于循环系统的循环系统的特性。此类特性具有可测量的分布，可测量的分布可用于形成时空重建图像。物理性质的示例包括(在红外和近红外光谱电磁范围内可检测的)热辐射的变化、可见电磁光谱中光学反射的变化(诸如在640nm波长处，其中氧血红蛋白和脱氧血红蛋白之间的光学差异最大化)、热发射的变化(参见例如，美国专利第5,637,871号和美国专利第3,335,716号)、以及自荧光的变化(其中近红外光谱中的照明会导致血液中的卟啉和其它分子在近红外光谱中发出荧光)、光学组织运动中的变化，或反映血管解剖和生理学的任何其它生理特性的变化并可成像。

鉴于心脏将血液作为动脉冲程容积序列输送至身体，固有对照物(类似于静脉注射造影剂)随心搏频率而变化。此外，这种变化在血管内可能更大，因为血管通过连续的液柱与心脏相连。因此，固有对照物的空间分布内存在的心搏频率变化可能是添加空间分辨率的来源，因为心搏频率发生在血管内部或血管附近，因为血液是连接到心室的连续液柱。在一些方面，人类患者的心搏频率可能在每分钟20-200次的范围内。

心脏搏动在固有对照物中产生心搏频率变化，并增加固有对照物的成像中的信噪比，进而提供一种用于衍生图像中改进的固有对照物空间分辨率的策略。此外，动脉循环子系统和静脉循环子系统可能包含在心搏频率下展示动静脉锁相的血管脉搏波。这为解决动脉循环子系统和静脉循环子系统之间的矛盾提供了一种策略。

因此，身体的内部特性或具有内部对照物的特性反映了可经由成像捕获的血管解剖和生理变化。本技术使用固有对照物将互相关小波血管造影应用于电影光学数据。在稳定的生理状态下，固有对照物在一个心搏循环和下一个心搏循环之间不发生变化，也不提供团注行进定时机制来区分动脉循环子系统和静脉循环子系统(尽管这种区别可以从640nm处的相对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白信号中获得)。尽管固有对照物不能提供团注行进机制来将静脉循环子系统与动脉循环子系统中分离，但动脉路径和静脉路径彼此不同步，并且该相位差可以作为标准，从而允许固有对照物血管造影在固有对照物光学血管造影中分离动脉循环系统和静脉循环系统。因此，不是依赖于团注行进定时，对选定的解剖和/或物理结构的识别结合对相位和/或互补相位中脉动的结构的滤波，可以区分动脉子系统和静脉子系统。

利用固有对照物，血管内前景与背景之间的信号差异较小，因此与注射化学造影剂血管造影相比，固有对照物的空间分辨率降低。因此，与从注射的化学造影剂获得的图像相比，利用固有对照物的血管造影图像可能具有更少的时间和空间分辨率。然而，利用固有对照物，没有施用化学造影剂的相关毒性。本技术提供了从通过互相关小波方法以比心率更快的速率获得的这些固有对照物现象的电影图像中对血管脉搏波进行时空重建的方法。在各方面中，固有对照物互相关小波血管造影可被校准为化学对比度互相关小波血管造影。

在其它方面中，来自固有对照物的信号可与外部定时信号互相关。互相关小波方法可使用心脏信号作为互相关。例如，基于外部心脏信号(例如，心电图或脉搏血氧仪的时间轨迹)，根据Nyquist(奈奎斯特)、Shannon(香农)和Kotelnikov(科特尔尼科夫)的采样定理，可以使用固有对照物比心率更快的速率采集血管造影和心脏信号数据，并通过复值互相关小波数学对这些数据进行运算。

在其它方面中，可以使用测量或估计的心搏频率信号，其中心搏曲线的形状是已知/假定的、恒定的，并且心跳之间的间隔是相同的。

在其它方面中，可执行校准，其中固有对照物互相关小波血管造影与使用注射的血管内造影剂的常规血管造影同时执行。例如，可以执行向患者注射使x射线的通过衰减的造影剂的x射线血管造影，其与固有对照物互相关小波血管造影同时进行。例如，可以执行光学造影剂血管造影，其中将诸如ICG之类的化学试剂注射到患者体内以允许使用具有近红外滤波器的光学系统进行检测。可在注射的血管光学造影剂通过前后执行一段时间的固有对照物小波血管造影，以校准固有对照物小波血管造影与血管内注射造影剂小波血管造影。

在各方面中，可执行校准步骤以使得将使用固有对照物的时空心搏频率现象的重建的电影图像与从利用血管内施用化学造影剂获得的常规血管造影所获得的电影图像进行比较。可用于常规化学造影剂血管造影的成像方法可包括光学(包括近红外波段)和/或荧光x射线。

初始地，校准化学造影剂血管造影可在随后进行固有对照物互相关小波血管造影的所有受试者中进行。然而，在其它方面，可通过确定固有对照物和常规化学造影剂血管造影之间的一致性来减少并最终消除该过程的化学造影剂血管造影部分。

本文所列出的校准实施例涉及x射线血管造影和红外光学血管造影，但可采用其他校准血管造影技术，诸如采用磁共振成像和计算机断层扫描的技术。还可以使用以足够高的速度进行的光学相干测量(具有多普勒效应)，以便以比心率更快的速率获取光学相干图像测量。在该示例中，来自多普勒光学相干层析成像和来自组织运动的光学相干层析成像捕获的数据量可以用作心搏频率现象互相关小波计算方法的时空重建的计算基础。

任何合适的成像技术均可用于固有对照物互相关小波血管造影，包括但不限于光学、近红外、超声、多普勒(光或声)和可见光。在一些方面中，多普勒数据可包括与红血球朝向或远离成像部件的移动相关的波长偏移。可以对多普勒数据进行预处理以对该波长偏移进行解释，从而基于美国专利第10,123,761号中提供的技术提取和处理与心搏频率有关的信息。对于非多普勒方法，组织回声的变化可能是一种形式的固有对照物。例如，给定体积要素中的血量可能会随着心搏频率的变化而发生回声变化。

在固有对照物互相关小波血管造影校准实施例中，将化学造影剂注射到血管内并且以比心率更快的速度记录图像。这些电影图像，包括固有对照物光学图像和血管内注射化学造影剂血管造影图像，是在时间上接近或同时获得的，并且可以提供与单个任一方法相反的信号的进一步放大。固有对照物和化学造影剂血管造影电影图像可以进行互相关小波重建，以揭示时空心搏频率现象。可将来自化学光学造影剂小波血管造影的互相关小波血管造影与来自固有对照物小波光学血管造影的重建小波血管造影进行比较和对比，以根据化学造影剂光学小波血管造影揭示的基本血管生理结构校准固有对照物小波血管造影。

固有光学造影剂的心搏频率变化是血管现象的光学表现而无需血管内注射化学造影剂即可测量，其存在于各种血管化身体中。光学固有对照物包括但不限于以可见波长测量的组织运动、血液流动和代谢发出的热量以及血红蛋白在其含氧和脱氧状态下的光学特征。固有光学造影剂在电磁光谱的可见光和近红外部分测量。心脏的活动在固有光学造影剂中产生心搏频率变化，并且可以使用互相关小波时空重建来对固有对照物的潜在心搏频率变化进行可视化。

这些技术可以使用标准量的化学造影剂、减少的化学造影剂或不使用化学造影剂来执行，并且与团注法不同，固有对照物信号不会随着时间的变化而衰减。在以下示例中，操作字段在监视器显示器上的可视显示是可选的。

图1A示出了用于执行固有对照物互相关小波血管造影的示例系统1000。系统1000包括操作显微镜3，显微镜3被配置为从患者的手术视场1收集光并将光分为两条路径：可见光路径和近红外(NIR)光路径。例如，来自包括患者视图的操作场1的光可由透镜4收集并被定向到分束器2。在该示例中，分束器将可见光分为光学路径。包括可见光的一条路径可由分束器2引导进入放大双筒望远镜1010，以供手术外科医生观看。尽管本文提供的示例参考双目/立体观看系统，但是可以使用任何合适的观看或显示设备，包括单目系统、显示屏等。另一路径可由分束器2经由NIR滤波器1020引导到相机1030(例如，电荷耦合器件(CCD)相机)。相机1030可以将接收到的信号转换成可以提供给计算系统1040的数字化形式。在一些方面中，CCD相机可具有每秒30帧的帧速率。在其它方面中，帧速率可以在每秒30帧到240帧之间变化。在其它方面中，帧速率可以在每秒10帧到60帧之间变化。一般来说，相机将对所研究的心搏频率现象的波长敏感(例如，近红外用于心搏频率热变化，血红蛋白峰值用于动脉和静脉血容量变化等)。在示例实施例中，CCD相机可具有50到5400或更高的ISO。优选地，CCD相机将在大动态范围内显示线性信号响应，以捕获心搏频率正弦行为。在示例实施例中，相机可以在1×到10×空间放大功率下具有640×480像素的最小空间分辨率。

计算系统1040可基于本文提供的固有对照物互相关小波血管造影技术来处理接收信号，以在显示屏1050上生成固有对照物血管造影图。操作显微镜3可任选地安装在操作视场上方的安装系统5上。例如，安装系统5可包括从控制台保持计算系统1040朝上延伸的杆5a、从杆上端横向延伸的可旋转臂5b以及从该臂端悬挂的显微镜支架5c。本文所述的操作显微镜和安装系统仅以示例方式示出，并且本技术适用于任何操作显微镜和/或安装系统。在一些方面中，可见光也可提供给CCD相机1030，其中可见光被处理以显示在显示屏1050上。外部心脏设备1060(例如，EKG、脉搏血氧仪等)可用于记录用于互相关的外部心脏信号。在一些情况下，可存在可选外部光源1070，或者在超声的情况下，可存在超声发射器1075。将会理解，使用本文所述系统获得的固有对照物血管造影图可由计算系统1040显示、存储在非易失性存储器中和/或打印。

图1B示出了用于执行固有对照物互相关小波血管造影的系统的另一实施例，其中使用来自便携式设备(例如，移动电话、平板电脑等)的摄像机执行固有对照物技术。在该示例中，来自诊断视场1110的光由具有视频记录功能的便携式设备记录(例如，以比心率更快的速率记录图像)。外部心脏设备1120也可存在用于记录互相关信号。视频图像和互相关信号可以无线(或通过有线)传送到计算机系统1140，以获得时空重建的心搏频率信号，并在显示屏1150上显示该信号。替代地，可以由便携式设备1130完成处理和/或显示在一些情况下，可存在可选外部光源1160，或者在超声的情况下，可存在超声发射器1165。

作为互相关信号的外部心脏信号提供了一种提高信噪比的方法，因为伪影源产生的信号不会随着心搏频率的变化而变化。因此，美国专利第10,123,761号的互相关小波技术可以在本技术的上下文中应用，其中外部心脏信号作为互相关。

图2示出了利用血管内造影剂的注射的光学血管造影的示例。在该示例中，当患者处于麻醉状态时，呈现了临床开颅手术状态下手术区域1中暴露的人脑表面。在开颅手术期间，在脑动脉瘤的颈部放置夹，以降低动脉瘤再次破裂的风险。在光学血管造影期间，用近红外光照亮视场，血管内施用的化学造影剂(例如，吲哚菁绿(ICG)，在近红外光谱中发光)吸收该波长的光并释放近红外波长范围的光。来自手术区1中暴露的大脑表面的光进入具有分束器2的手术显微镜1000。

在该示例中，未滤波的光由摄像机或CCD相机1030记录，以产生可见光谱中血管造影场的可见视频3记录。在此示例中，为了清晰起见，对可视视频3中的选定特征进行了注释，包括大脑额叶(F)、颞叶(T)、牵开器(R)、动脉瘤颈部(颈部)、动脉瘤夹(夹)和动脉瘤母动脉(母动脉)。同一分束器2通过近红外滤波器将光发送到单独的摄像机或CCD相机和计算机系统，该计算机系统捕获包括近红外光学血管造影的近红外视频4，其中从通过血管系统传递的化学造影剂团注生成近红外信号。例如，如美国专利第10,123,761号所示，近红外视频4经历变换，以产生在心搏频率发生的时空现象的互相关小波血管造影重建5。交叉相关小波血管造影重建5中的心搏频率现象可根据颜色模型图例6进行像素级渲染，该颜色模型图例6包括作为亮度的幅度和作为色调的相位。利用该颜色模型，没有心搏频率活动的像素被渲染为黑色，而具有较大幅度的像素被渲染为明亮。心搏频率活动的相位在[-π、π]的整个范围内循环变化并使用基于周期色调的颜色位图进行渲染。任何合适的颜色模型(例如灰度、亮度等)，均可应用于本应用中呈现的任何互相关小波血管造影。

图3示出了基于在近红外光谱中收集的固有对照物而不是通过注射化学血管内造影剂的光学血管造影的示例。图3中的要素与图2中的要素类似，只是互相关小波血管造影重建11基于仅具有固有对照物的血管造影。(近红外视频10未显示信号，因为未经血管内施用近红外化学造影剂)。互相关小波血管造影技术能够在不使用化学造影剂ICG的情况下分辨移动的血管脉搏波。这种效应可能是由于近红外光刺激下组织的自发荧光引起的。

在该示例中，呈现了临床开颅手术状态下的手术区7中暴露的人脑表面。近红外光学范围内的固有对照物是由于近红外光学范围内氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的红外热发射和光反射的组合而存在。来自手术区7中暴露的大脑表面的光进入具有分束器8的手术显微镜1000。未滤波的光由摄像机或CCD相机记录，以经由计算系统1040生成可见光谱中血管造影场的可见视频9记录。为了清晰起见，对可见视频9中的重要特征进行了注释。例如，同一分束器8通过近红外滤波器24将光发送到另一单独的视频记录设备，该视频记录设备捕获包括固有对照物近红外光学血管造影的近红外视频10。(在其它方面中，近红外信号可被数字化并提供给计算机系统1040以在显示屏上显示)。暴露的大脑表面发射的近红外信号小于施用血管内化学造影剂ICG所发射的信号，因此，近红外视频10图像显示为黑色。然而，即使视频看起来很暗，来自固有对照物的信号仍然存在，并且像素已经组织了心搏频率变化，从而允许将脉动的固有对照物与背景信号区分开来。如美国专利第10,123,761号所教导的，通过互相关小波血管造影重建11检测心搏频率现象的时空分布并将其渲染成电影图像。该附图表示使用固有对照物互相关小波血管造影的示例。

如前所述，美国专利第10,123,761号中公开的小波处理技术可用于生成固有对照物血管造影图。在没有运动混叠的情况下，操作可包括：将由n×m像素×q帧组成的数据组成的血管造影数据导入计算机存储器；使用处理器重新调整血管造影数据的格式，以生成n×m时间信号阵列，每个采样长度为q；由处理器将复值小波变换应用于每个逐像素级时间信号，以生成n×m小波变换阵列；由处理器针对心搏频率对逐像素级小波变换进行滤；由处理器对逐像素级小波变换数据执行逆小波变换到时域中，并重新调整格式为n×m像素的q帧；以及利用处理器将每个帧渲染为具有亮度-色调-颜色模型的图像，以表示每个像素中的复杂基准。

在运动混叠和互相关的情况下，操作可包括：由处理器对血管造影时间-强度曲线进行高频分辨率小波变换；然后由处理器重新调整血管造影数据的格式为n×m时间信号阵列，每个采样长度为q；由处理器对每个逐像素级时间信号执行高时间小波变换，以生成n×m高时间分辨率小波变换阵列；在小波域中互相关，通过由处理器对整体血管造影时间-强度曲线进行单个高频分辨率小波变换，对每个逐像素级进行高时间分辨率小波变换；对小波域中的互相关信号的n×m阵列进行逆小波变换，以由处理器生成每个长度为q的时域时间信号的n×m阵列；以及由处理器将长度为a的n×m时间信号重新调整格式为n×m像素的q帧，每个像素均为复值。附加细节可在美国专利第10,123,761号中获得，如前所述，该专利通过引用并入本文。

图4示出了基于从可见光谱获得的固有对照物的人类面部的光学血管造影的示例。记录人类面部的图像的可见光谱摄像机显示，相同的互相关小波算法可经由捕获头部和面部组织中由血液通过面部血管泵送的脉动动能引起的小的心搏频率运动来捕获心搏频率。因此，可使用固有对照物利用以比心率更快的速率获取的图像的互相关小波数学来重建心搏频率变化的电影图像。因此，通过使用光学成像的组织中的固有对照物，可以形成对心搏频率现象的定量准确测量。

在各方面中，具有独立测量的心脏信号的互相关小波数学可用于对参与循环系统的那些区域(包括皮肤)中的心搏频率现象进行光学成像。在该示例中，头颅的化学造影剂x射线血管造影用于校准和促进同一解剖结构附近的固有对照物光学血管造影的解释。例如，受试者佩戴手指脉搏血氧仪12以非侵入性地生成外部心脏信号13，以作为交互相关小波重建15的互相关。获取人类面部可见波长的视频片段14，以基于互相关小波重建15生成固有对照物光学面部血管造影17。在通过互相关小波重建15进行计算之后，在固有对照物光学面部血管造影17的右侧呈现心搏频率现象的重建。

图中显示了人类头颅16在前后投影中的x射线血管造影图，其中该头颅的血管内施用化学造影剂进入右侧颈内动脉。作为校准方法，血管内施用化学造影剂的常规x射线血管造影显示在血管内化学造影剂x射线头颅血管造影和互相关小波重建16的左侧。在通过互相关小波重建15进行处理后，重建的心搏频率现象在血管内化学造影剂x射线头颅血管造影和互相关小波重建16的右侧呈现。该附图以二维图像显示了固有对照物光学血管造影和互相关小波重建14、血管内化学造影剂x射线头颅血管造影和互相关小波重建16以及它们的互相关小波重建，但是，可以理解，这些是来自以比心率更快的速率获取的图像的电影序列的出于说明目的而示出的示例帧。

本文的实施例涉及x射线血管造影和红外光学血管造影，但可采用其它校准血管造影技术，诸如采用磁共振成像和计算机断层扫描的技术。

本文提供的示例展示了大脑表面和皮肤的固有对照物光学互相关小波血管造影。这些技术可应用于其它血管化器官(诸如视网膜)或其它开放性外科手术。

现在参考图5，示出了计算机系统或信息处理设备80(例如，图1A中的计算机系统1040或图1B中的计算机系统1140)的框图，该计算机系统或信息处理设备80可并入固有对照物血管造影成像系统(诸如图1A中的系统1000或图1B中的系统1000)以根据本发明的实施例提供增强的功能性或用作从血管造影数据提取心搏频率现象的独立设备。在一个实施例中，计算机系统80包括监视器或显示器82、计算机84(其包括(多个)处理器86、总线子系统88、存储器子系统90和盘子系统92)、用户输出设备94、用户输入设备96和通信接口98。监视器82可以包括被配置为生成信息的可视表示或显示的硬件和/或软件元件。监视器82的一些示例可以包括熟悉的显示设备，诸如电视监视器、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等。在一些实施例中，监视器82可以提供输入接口，诸如结合触摸屏技术。

计算机84可以包括熟悉的计算机部件，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、存储器或存储设备、图形处理单元(GPU)、通信系统、接口卡等。如图5所示，计算机84可以包括一个或多个处理器86，该一个或多个处理器86经由总线子系统88与多个外围设备通信。(多个)处理器86可以包括市售的中央处理单元等。总线子系统88可以包括用于使计算机84的各种部件和子系统彼此按照预期通信的机构。尽管总线子系统88示意性地示出为单个总线，但总线子系统的替代实施例可以利用多个总线子系统。与(多个)处理器86通信的外围设备可以包括存储器子系统90、盘子系统92、用户输出设备94、用户输入设备96、通信接口98等。

存储器子系统90和盘子系统92是被配置为存储数据的物理存储介质的示例。存储器子系统90可以包括多个存储器，该多个存储器包括用于在程序执行期间对程序代码、指令和数据进行易失性存储的随机存取存储器(RAM)，以及存储固定程序代码、指令和数据的只读存储器(ROM)。盘子系统92可以包括为程序和数据提供永久(非易失性)存储的多个文件存储系统。其它类型的物理存储介质包括软盘、移动硬盘、光学存储介质(诸如CD-ROM、DVD和条形码)、半导体存储器，诸如闪存、只读存储器(ROM)、电池支持的易失性存储器、网络存储设备等。存储器子系统90和盘子系统92可以被配置为存储提供本文所讨论的技术的功能或特征的编程和数据构造。当由(多个)处理器86执行时实现或以其它方式提供功能的软件代码模块和/或处理器指令可以存储在存储器子系统90和盘子系统92中。

用户输入设备94可以包括被配置为接收来自用户的输入以供计算机系统80的部件进行处理的硬件和/或软件元件。用户输入设备可以包括用于向计算机系统84输入信息的所有可能类型的设备和机构。这些可以包括键盘、小键盘、触摸屏、并入显示器的触摸界面、音频输入设备(诸如麦克风和语音识别系统)以及其它类型的输入设备。在各种实施例中，用户输入设备94可以被实现为计算机鼠标、轨迹球、跟踪板、操纵杆、无线遥控器、绘图板、语音命令系统、眼睛跟踪系统等。在一些实施例中，用户输入设备94被配置为允许用户经由命令、运动或手势(诸如点击按钮等)选择监视器82上可能出现的对象、图标、文本等或以其它方式与监视器82上可能出现的对象、图标、文本等交互。

用户输出设备96可以包括被配置为从计算机系统80的部件向用户输出信息的硬件和/或软件元件。用户输出设备可以包括用于从计算机84输出信息的所有可能类型的设备和机构。这些可以包括显示器(例如，监视器82)、打印机、触摸或力反馈设备、音频输出设备等。

通信接口98可以包括被配置为提供与其它设备的单向或双向通信的硬件和/或软件元件。

例如，通信接口98可以(诸如经由互联网连接)提供计算机84与其它通信网络和设备之间的接口。

根据本发明的实施例，应当认识到，除了获取血管造影图像外，还可以同时获取附加心脏信号/数据以用作互相关目标，以基于本文所提供的技术执行血管脉搏波的时空重建。例如，心脏信号/数据可以用作血管造影投影中相位索引像素的参考心脏信号。

图6示出了本文所提供的技术的高级操作。在操作710，获取以比心搏频率更快的速率获得的时序图像序列，其中该图像序列捕获固有对照物的一个或多个物理特性。在操作720处，对光学图像序列应用小波变换分析，以产生心搏频率现象的时空表示。在操作730处，从时空表示生成心搏频率血管造影现象的图像。

有益地，本文提供的实施例包括用于使用固有对照物在血管造影数据中时空重建心搏频率现象的系统、方法和计算机可读介质。这些技术可以与被设计为获得血管造影图像的硬件系统，尤其是血管造影系统一起应用，以获得患者的图像。与现有血管造影方法相比，这些技术提供了本领域的改进，即，允许在没有化学造影剂的情况下对时空心搏频率现象进行可视化。附加地，该信号不会随时间衰减或衰退，允许时空心搏频率现象的持续可视化，这可能有助于外科手术或持续监视患者状态。

心搏频率变化包括固有对照物中的信息源，该信息源在对固有对照物的心搏频率变化进行时空互相关小波重建时增加信噪比。此外，本文呈现的实施例利用动静脉锁相现象，通过分析其一致的心搏频率相位关系，在电影图像中区分动脉循环子系统和静脉循环子系统。

这些技术可以用于筛查医学异常，诸如肢体或头部动脉阻塞，从而选择患者进行进一步筛查。在各方面中，可以获得多个光学记录，并且可以对身体的不同位置进行异常筛查(例如，头部和腿部之间、手臂和腿部之间等)。附加地，本技术可应用于在不使用造影剂的情况下执行光学视网膜血管造影。在一些方面中，心搏频率现象的中断可能发生在病理变化之前，这使得本技术能够比现有技术更早地诊断疾病。

本技术为医学技术和医学成像领域提供了改进。这些技术可用于检测造影剂降低或无造影剂的循环系统异常。附加地，技术可以通过视频技术的处理而可见。通过检测心搏频率活动的变化，可以快速筛查患者，并根据指示进行进一步检测。附加地，可以在一段时间内获得固有对照物血管造影，最前面的固有对照物血管造影作为基线。基线随时间的变化可能表明潜在循环或心脏疾病的发展。

这些创造性技术通过使这些系统能够使用固有对照物来提取和显示关于心搏频率现象的信息，从而改进被设计为用于外科设置、诊断成像系统和其它类型的光学成像系统的操作或外科成像系统。

这些技术为危重病人或术中病人提供了进一步的优势，因为他们可以理所当然地进行静脉注射。例如，需要将静脉造影剂与光学捕获相协调，这在整个过程中占主导地位，并导致其它医疗步骤的中断。对于没有静脉通路的患者，这种方法可以避免静脉注射带来的不适和不便。

医学上有意义的快速或瞬态现象可能会在没有警告的情况下发生，使得注射的造影剂在给定时刻可能不会循环，从而无法对现象进行成像和分析。利用固有对照物，由于在活体患者中始终存在心搏频率现象，因此可以在以比心率更快的频率获取的图像中分析临时、事后或连续的心搏频率现象。

在其它方面中，可获得多种类型的输入(例如，光、近红外、热、声音等)并对其进行处理，并且与单个输入相比，将所得输出组合以增强心搏频率检测。

由此可见，在从前面的描述中显而易见的那些对象中，上文阐述的对象是有效获得的并且因为在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在实施上述方法和(多个)构造中进行某些改变，旨在将上述描述中包含的以及附图中示出的所有内容解释为说明性的，而不是限制性的。

还应当理解，以下权利要求旨在涵盖本文所描述的本发明的所有通用和特定特征并且本发明的范围的在语言上的所有陈述可以说介于两者之间。

已经根据优选实施例描述了本文所提供的技术，并且认识到，除了明确说明的那些以外，等效例、替代例和修改例是可能的，并且这些等效例、替代例和修改例在附加权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种从由光学系统以比心搏频率更快的速率获得的光学图像序列中提取心搏频率现象的方法，包括：

获取以比心搏频率更快的速率获得的患者的时序光学图像序列，其中所述时序图像序列捕获固有对照物的一个或多个物理特性；

从所述患者获取互相关信号；

对所述时序光学图像序列应用互相关小波变换分析，以产生心搏频率现象的时空表示，其中所述互相关小波变换分析包括：

对所述时序光学图像序列执行小波变换以获得小波变换信号；

将所述小波变换信号与互相关信号互相关以获得互相关信号；

以心搏频率对所述互相关信号进行滤波以获得滤波信号；以及

对所述滤波信号执行逆小波变换以获得所述时序光学图像序列的时空表示；以及

从所述时空表示生成所述心搏频率现象的图像。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在一个或多个重建的图像中显示所述时空重建。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括获得同时测量的心脏信号，并将所述同时测量的心脏信号与所述小波变换信号互相关。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像通过光学显微镜、近红外显微镜、超声波或多普勒技术获得。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，图像是通过对具有血管结构的身体成像获得的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，固有对照物包括热辐射、光学反射或自荧光。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，重建的血管造影作为电影视频序列提供。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

获取具有静脉注射的化学造影剂的第二时序图像序列，并生成从所述静脉注射的化学造影剂获得的图像的第二时空表示；

将利用固有对照物获得的所述图像的所述时空表示与从所述静脉注射的化学造影剂获得的所述图像的所述第二时空表示配对；以及

基于所述配对来校准利用固有对照物获得的所述图像的所述第二时空表示。

9.一种用于提取以比心搏频率更快的速率获得的心搏频率血管造影现象的光学系统，所述系统包括：

一个或多个计算机处理器；

一个或多个计算机可读存储介质；

程序指令，所述程序指令存储在所述一个或多个计算机可读存储介质上以供所述一个或多个计算机处理器中的至少一个计算机处理器执行，所述程序指令包括用于以下内容的指令：

获取以比心搏频率更快的速率获得的患者的时序光学图像序列，其中所述时序图像序列捕获固有对照物的一个或多个物理特性；

从患者获取互相关信号；

对所述时序光学图像序列应用互相关小波变换分析，以产生心搏频率现象的时空表示，其中所述互相关小波变换分析包括：

对所述时序光学图像序列执行小波变换以获得小波变换信号；

将所述小波变换信号与互相关信号互相关以获得互相关信号；

以心搏频率对所述互相关信号进行滤波以获得滤波信号；以及

对所述滤波信号执行逆小波变换以获得所述时序光学图像序列的时空表示；以及

从所述时空表示生成所述心搏频率现象的图像。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述程序指令进一步包括如下的指令：

在一个或多个重建的图像中显示所述时空重建。

11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述程序指令进一步包括如下的指令：

获得同时测量的心脏信号，并将所述同时测量的心脏信号与所述小波变换信号互相关。

12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述图像通过光学显微镜、近红外显微镜、超声波或多普勒技术获得。

13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，图像是通过对具有血管结构的身体成像获得的。

14.如权利要求9所述的系统，其特征在于，固有对照物包括热辐射、光学反射或自荧光。

15.如权利要求9所述的系统，其特征在于，重建的血管造影作为电影视频序列提供。

16.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述程序指令进一步包括如下的指令：

获取具有静脉注射的化学造影剂的第二时序图像序列，并生成从所述静脉注射的化学造影剂获得的图像的第二时空表示；

将利用固有对照物获得的所述图像的所述时空表示与从所述静脉注射的化学造影剂获得的所述图像的所述第二时空表示配对；以及

基于所述配对来校准利用固有对照物获得的所述图像的所述第二时空表示。

17.一种用于提取以比心搏频率更快地速率获得的心搏频率现象的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机可读存储介质，所述一个或多个计算机可读存储介质共同具有包含在其中的程序指令，所述程序指令能由计算机执行以使得所述计算机：

获取以比心搏频率更快的速率获得的患者的时序光学图像序列，其中所述时序图像序列捕获固有对照物的一个或多个物理特性；

从患者获取互相关信号；

对所述时序光学图像序列应用互相关小波变换分析，以产生心搏频率现象的时空表示，其中所述互相关小波变换分析包括：

对所述时序光学图像序列执行小波变换以获得小波变换信号；

将所述小波变换信号与互相关信号互相关以获得互相关信号；

以心搏频率对所述互相关信号进行滤波以获得滤波信号；以及

对所述滤波信号执行逆小波变换以获得所述时序光学图像序列的时空表示；以及

从所述时空表示生成所述心搏频率现象的图像。

18.如权利要求17所述的计算机程序产品，其特征在于，所述程序指令进一步包括进行以下操作的指令：

在一个或多个重建的图像中显示心搏频率血管造影现象的所述时空重建。

19.如权利要求17所述的计算机程序产品，其特征在于，所述程序指令进一步包括进行以下操作的指令：

获得同时测量的心脏信号，并将所述同时测量的心脏信号与所述小波变换信号互相关。

20.如权利要求17所述的计算机程序产品，其特征在于，所述程序指令进一步包括进行以下操作的指令：

获取具有静脉注射的化学造影剂的第二时序图像序列，并生成从所述静脉注射的化学造影剂获得的图像的第二时空表示；

将利用固有对照物获得的所述图像的所述时空表示与从所述静脉注射的化学造影剂获得的所述图像的所述第二时空表示配对；以及

基于所述配对来校准利用固有对照物获得的所述图像的所述第二时空表示。

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