CN114792303A - 频域或扫频光学相干断层扫描的全范围分析方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频域或扫频光学相干断层扫描的全范围分析方法与系统。本发明通过对频域或扫频OCT图像的傅里叶分析后的B‑scan定义一对位于零延迟线两侧的对称的窗口做局部分析，并定义一个由OCT信号计算出来的度量，在这对窗口内分别计算出相应的度量，根据该度量来判断该对窗口内哪一侧属于实像，哪一侧属于镜像，还是实像与镜像发生了重叠。根据此判断可以选择性的保留实像部分，把镜像部分压制、标记为无效像素、或是用其他方法补偿，二者重叠的部分根据应用决定保留还是按照镜像一样处理，以获取全范围的成像。本发明可得到相对干净的全范围图像，而无需像传统OCT系统一样将被测量的结构调到零延迟线一侧并牺牲一半深度。

Description

频域或扫频光学相干断层扫描的全范围分析方法与系统
技术领域
本发明涉及OCT技术领域，具体涉及一种频域或扫频光学相干断层扫描的全范围数据的分析方法与系统。
背景技术
光学相干断层扫描技术(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种快速、无创、高分辨的成像技术。它利用弱相干光干涉原理，检测生物组织不同深度层面对入射光的背反射或散射信号，通过扫描，可得到生物组织的结构图像。
第一代OCT技术为时域OCT，采用沿光轴方向扫描对比光路(reference arm)上的一个反光镜的方式，获取样品内不同深度的信息。第二代OCT技术为频域OCT，通过使用宽带光源，和对搜集到的光信号通过频率解析器解析的方式，一次性获取样品内不同深度的信息，大幅度提高了数据采集速度。目前最新的OCT技术发展为第三代OCT，称为扫频源OCT。它采用光波长可连续(或准连续)变化的扫频激光为光源，不同于频域OCT技术使用宽带光源，因此又称扫频激光或扫频源(Swept Source)OCT。扫频OCT同时具有高速和成像深度深的特点。
在OCT图像中，沿轴向的一条扫描线称为A-scan，沿切向扫描方向得到的一个图像称为B-scan，一个B-scan是由多个A-scan构成。
频域和扫频激光OCT已成为分析视网膜和眼前节的主要工具。频域和扫频OCT比起时域OCT的优点是成像速度快。但是二者存在一个共同的局限，就是所谓的复共轭歧义(complex conjugate ambiguity)。频域和扫频OCT采集到的数据，为不同频率的干涉条纹的叠加，需要经过傅里叶分析，才能够得到和样品的物理空间相对应的结构信息。傅里叶分析的结果存在正负两半频谱，中间由零延迟线(对应于样品臂和参考臂光程相等的位置)分开。样品中某个位置所成的实像，不管是位于正频谱一侧还是负频谱一侧，总是在零延迟线另一侧频谱中的相对称的位置附近形成一个镜像。这个镜像属于负共轭伪像。镜像的存在，严重干扰了对结果的诠释，可能会造成错误的解读。传统的避开镜像干扰的方法是调节成像系统直到把眼睛需要成像的部位全部置于零延迟线的一侧，这样所有的实像会出现在零延迟线固定的一侧。用户只需要把镜像的一侧丢弃即可。但是这么做的弊病就是只有一半成像范围可用。对于深度比较大的眼前节成像，或是眼后节成像中视网膜在深度方向跨度很大的大视野成像模式，无法一次全部成像感兴趣的深度。
一些解决镜像干扰又可以保留全部深度成像的方法，是通过硬件方法，比如在参考臂使用装有压电装置的反射镜，等等。这些方法的局限性是系统的复杂度和成本提高，同时技术上也有这些方法自身的一些缺点。所以如果可以通过算法有效地区分实像和镜像，将是非常令人期待的。
发明内容
发明目的：本发明目的在于为具有足够色散的频域或扫频OCT数据提供全范围数据分析方法与系统，通过算法区分镜像和实像，从而可以获得全范围OCT成像。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种频域或扫频光学相干断层扫描的全范围分析方法，包括如下步骤：
对获取的频域或扫频OCT傅里叶分析后的B-scan图像做局部分析，局部的大小由一对位于零延迟线两侧的对称的窗口定义；
定义一个由OCT信号计算出来的度量，在这对窗口内分别计算出相应的度量；
根据计算出的两个度量的差异来判断两个窗口中是否一侧为实像，一侧为镜像，还是两个窗口均是实像镜像重叠；
移动这对窗口，对B-scan内所有需要做判断的部分用上述方法做判断；
根据判断结果，保留实像部分，并对镜像部分予以压制或是标注，对重叠部分根据应用预设方式进行处理。
进一步地，根据窗口内OCT信号绝对强度是否小于预设噪声阈值，判断窗口内是否是背景；对于背景窗口则不需要区分实像或是镜像，根据应用预设方式进行处理。
具体实施时，所述窗口的大小可覆盖一个或多个A-scan。
具体实施时，如果窗口以1个像素为单位移动，则所述窗口内得到的判断结果赋于该窗口的中心像素；如果窗口以整个窗口大小为步长移动，则判断结果赋予该窗口内全部像素。
作为优选，所述方法用于眼前节OCT图像数据分析时，以能够抑制噪声干扰且使实像镜像度量具有区分度为标准来预设窗口大小。
作为优选，所述方法用于眼后节OCT图像数据分析时，定义窗口沿轴向的长度为全范围频谱长度的一半；也就是正/负频谱内的窗口覆盖整个正/负频谱的轴向长度。
作为优选，计算是否为实像还是镜像的度量能够突出窗口内能量分布的不均匀性或是图像的锐利度，定义包括窗口内所有像素的OCT的强度的方差、均值的平方、梯度的绝对值的均值中的一种或几种组合。
进一步地，所述方法还包括，对判断结果做进一步后处理，包括低通、连通域、根据到零延迟线的距离做筛选中的一种或多种。
基于相同的发明构思，本发明提供一种频域或扫频光学相干断层扫描OCT的全范围分析系统，包括：
局部分析模块，用于对频域或扫频OCT图像的傅里叶分析后的B-scan做局部分析，局部的大小由一对位于零延迟线两侧的对称的窗口定义；包括：度量单元，用于定义一个由OCT信号计算出来的度量，在这对窗口内分别计算出相应的度量；判断单元，用于根据计算出的两个度量的差异来判断两个窗口中是否一侧为实像，一侧为镜像，还是两个窗口均是实像镜像重叠；
全局分析模块，用于移动局部分析窗口，使用局部分析模块对B-scan内所有需要做判断的部分做出判断；
以及结果处理模块，用于根据判断结果，保留实像部分，并对镜像部分予以压制或是标注，对重叠部分根据应用预设方式进行处理。
基于相同的发明构思，本发明提供一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上面所述的频域或扫频OCT的全范围分析方法。
有益效果：本发明提供的全范围OCT分析方法，对于有足够色散的频域和扫频OCT数据，在一定程度上解决了全范围图像里镜像的干扰，可得到相对干净的全范围图像，而无需像传统OCT系统一样将被测量的结构调到零延迟线一侧并牺牲一半深度。
附图说明
图1为本发明一实施例的方法流程图。
图2为本发明另一实施例的方法流程图。
图3为本发明示例的未经任何镜像实像区分处理的全范围眼前节OCT图像。
图4为本发明示例的经过实像镜像区分处理的全范围眼前节OCT图像。
图5为本发明示例的未经任何实像镜像区分处理的全范围眼后节OCT图像。
图6为本发明示例的经过实像镜像区分处理的全范围眼后节OCT图像。
图7为本发明一实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
频域和扫频OCT伴随的一个局限性是实像总是伴随着镜像，当扫描对象跨越零延迟线的时候，二者会同时出现在零延迟线的同一侧，无法简单的靠丢弃一半频谱来去除镜像干扰。通常的解决方法是把扫描对象调到零延迟线一侧来避免镜像和实像出现在同一侧，但是带来的问题是有效的扫描深度只有一半可用。本发明利用了当OCT系统里有足够的色散的时候(镜像实像的差异大于噪声)，位置相对分立的实像和镜像从图像特征上是有足够差别的这个特点，使用算法方式将二者做一定程度上的区分，无须将被扫描对象调到零延迟线一侧，从而获得可以使用整个深度的优点。以下对这个过程加以说明。
本发明实施例提供的频域或扫频OCT的全范围分析方法，对OCT数据的B-scan内的局部数据进行分析，判断是镜像还是实像，还是二者重叠；并依照此判断，保留实像像素，对镜像像素予以压制、标记为无效像素、或是用其他方法补偿(可由应用预设处理方式，以下将这些针对非实像的处理统称为“特殊处理”)，对于实像镜像重叠的像素根据应用选择是保留还是特殊处理，从而得到全范围OCT结果。
本发明获取的OCT B-scan全范围图像，和通常的频域和扫频OCT获取图像方式基本相同，其主要差别就是不再需要把要成像的眼睛结构有意调到零延迟线一侧。拿到原始干涉条纹数据后，计算步骤和普通OCT计算方式类似，通常包括对原始OCT数据计算背景修正，色散修正，和傅里叶分析。主要差别是保留全范围图像，不丢弃一半频谱。
本发明实施例的具体分析方法步骤如图1所示，包括：
1、定义一对位于零延迟线两侧的对称的窗口，定义一个由OCT信号计算出来的度量，在这对窗口内分别计算出相应的度量。这里的零延迟线为B-scan上参考臂和样品臂光程差为0的位置，也就是傅里叶分析结果里分割正频率结果和负频率结果的频率为0的直线；定义的一对窗口，一个位于正频谱，一个位于负频谱。
(1)对于眼前节数据，以能够抑制噪声干扰且使实像镜像度量具有区分度为标准来预设窗口大小。窗口不宜过小，过小的话计算这个度量的时候像素太少，没有任何平均效应，易受噪声干扰而不准确；窗口也不宜过大，过大的话使用太多的周边像素来判断镜像实像，就没有足够的分辨率。具体应用时，以所扫描的眼睛结构为参考依据，可基于标定后的图像选择合适的窗口大小。对于眼后节数据，可以定义窗口大小为沿轴向长度为全范围的一半(也就是正负频谱各自的全部长度)；沿横向的宽度为4到16个A-scan左右，具体数字可以根据图象的噪声大小决定，噪声越高，需要的宽度约大，以达到降低噪声影响的作用。将整个B-scan按该窗口大小分割为多个计算单位。
(2)度量可以定义为一个计算单位(也就是一个窗口)内所有像素的OCT信号强度的方差，亦即：
Figure BDA0003555518960000051
这里Pi为第i个像素的OCT信号强度，P0为所有像素的OCT信号强度的均值，n为像素总数。
另一种可能的度量定义方式为一个计算单位(也就是一个窗口)内所有像素的OCT信号强度的均值的平方，亦即：
Figure BDA0003555518960000052
再一种可能的度量定义方式为首先对图像做梯度计算从而得到梯度图像G，梯度可以定义为
Figure BDA0003555518960000061
这里Gx为横向梯度，Gy为轴向梯度；然后度量定义为一个窗口内所有像素的梯度的绝对值的均值。
Figure BDA0003555518960000062
这里Gi为第i个像素处的OCT信号强度的梯度。
如果为了简化计算，G也可以直接定义为横向和轴向梯度绝对值的和，从而省去平方和开平方计算，即为
G＝|Gx+Gy|
鉴于度量可以有很多种定义方式，这里不试图逐一列举。一个好的度量的基本的出发点是要能够突出窗口内能量分布的不均匀性或是图像的锐利度等特点。
2、根据这对窗口的两个度量的差异来判断两个窗口中是否一侧为实像，一侧为镜像，还是两个窗口均是实像镜像重叠。一个比较简单的判断方法是，通过两个度量的差值的绝对值与预设阈值的大小，当一侧度量大于另一侧度量加上预设阈值的时候，认为度量高的一侧为实像，另一侧为镜像，否则认为窗口内为实像镜像二者重叠。
此外，还可进一步增加噪声判断，根据窗口内OCT信号绝对强度是否小于预设噪声阈值，判断窗口内是否是背景；对于背景窗口则不需要区分实像或是镜像，根据应用预设方式进行处理。
例如当度量定义为窗口内所有像素的OCT的强度的方差时，根据正负窗口内方差相对大小，和该对窗口内OCT信号的绝对强度，做出如下判断：
当两个窗口内的OCT信号绝对强度(可以适当低通后)的最大值均小于一个阈值Pnoise的时候，认为该窗口内为噪声；
否则，当两个窗口内的信号方差的差值的绝对值大于一个阈值Delta(Metric)0的时候，认为较大的一侧为实像为主，另一侧为镜像为主；
否则，认为两边均为实像镜像高度重叠。
如果该滑动窗口以一个像素为单位滑动，则该判断的结果被赋值到整个窗口内的中心像素；如果该窗口以整个窗口大小为步长来滑动，则该判断结果被赋值到整个窗口内的每个像素。
本领域技术人员可以理解的是，本步骤的实质是通过比较这一对窗口中的信号的差异来区分实像、镜像还是重叠，上述对两个度量绝对差值的比较只是一种较为简单的实施方式的示例，具体阈值的设定可以基于经验或效果设定或调整。上述的度量也不限于一个具体的数值，可以是一个维度或多个维度计算得到的数值或向量，具体的判断准则可以根据具体度量的特性，在以能够有效区分实像、镜像的指导下得到的可行的线性、几何运算式，包括传统人工经验设定规则、由机器学习算法在训练样本指导下学习获得的分类规则等。
3、移动这对窗口，对B-scan内所有需要计算的部分做出判断。
4、根据判断的结果做处理，保留实像，对镜像予以压制(如置零)或是标注，对二者重叠的部分根据应用预设方式进行处理(保留、压制等)。若增加噪声像素的判断，背景噪声像素根据应用决定保留一侧还是两侧。
如图2所示，在本发明的另外实施例中，还可对判断结果做一定程度的处理，进一步降低噪声影响。比如低通、连通域、根据到零延迟线的距离做筛选，等等处理方式，得到更准确的判断结果。例如，对于生理结构尺度比较大的眼前节成像，当所选窗口大小远小于生理结构的尺度的时候，额外的后处理可以包括在B-scan范围内对初选结果做低通；对于对速度要求不高的应用，可以根据连通域原则，去除初选结果里小面积局部判断和周围不一致的情况；等等操作，以降低噪声导致的局部误判。
图3-6展示了本发明方法的处理效果，图3为未经任何镜像实像区分处理的全范围眼前节OCT图像，图4为经过实像镜像区分处理的全范围眼前节OCT图像，窗口大小为64x64像素，以一个像素为步长移动窗口，判断结果赋值中心像素，对判断结果再加低通平滑处理和连通域处理。图5为未经任何实像镜像区分处理的全范围眼后节OCT图像，图6为经过实像镜像区分处理的全范围眼后节OCT图像，窗口大小为横向8个像素，轴向整个正/负频谱长度，以一个窗口为步长移动窗口，判断结果赋值窗口内所有像素。
基于相同的发明构思，本发明实施例公开一种频域或扫频光学相干断层扫描OCT的全范围分析系统，如图7所示，包括：
局部分析模块，用于对频域或扫频OCT图像的频域B-scan做局部分析，局部的大小由一对位于零延迟线两侧的对称的窗口定义；包括：度量单元，用于定义一个由OCT信号计算出来的度量，在这对窗口内分别计算出相应的度量；判断单元，用于根据计算出的两个度量的差异来判断两个窗口中是否一侧为实像，一侧为镜像，还是两个窗口均是实像镜像重叠；全局分析模块，用于移动局部分析窗口，使用局部分析模块对B-scan内所有需要做判断的部分做出判断；以及结果处理模块，用于根据判断结果，保留实像部分，并对镜像部分予以压制或是标注，对重叠部分根据应用预设方式进行处理。为进一步提升处理效果，判断单元还用于根据窗口内OCT信号绝对强度是否小于预设噪声阈值，判断窗口内是否是背景；对于背景窗口则不需要区分实像或是镜像；结果处理模块对于背景窗口根据应用预设方式进行处理。此外，还可设置后处理模块，用于对判断结果做进一步后处理，包括低通、连通域、根据到零延迟线的距离做筛选中的一种或多种。
为描述的方便和简洁，上述描述的各模块/单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。所述模块/单元的划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块/单元可以结合或者可以集成到另一个系统。
基于相同的发明构思，本发明实施例公开的一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上述的频域或扫频OCT的全范围分析方法。

Claims (10)

1.一种频域或扫频光学相干断层扫描OCT的全范围分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
对频域或扫频OCT图像的傅里叶分析后的B-scan做局部分析，局部的大小由一对位于零延迟线两侧的对称的窗口定义；
定义一个由OCT信号计算出来的度量，在这对窗口内分别计算出相应的度量；
根据计算出的两个度量的差异来判断两个窗口中是否一侧为实像，一侧为镜像，还是两个窗口均是实像镜像重叠；
移动这对窗口，对B-scan内所有需要做判断的部分用上述方法做判断；
根据判断结果，保留实像部分，并对镜像部分予以压制或是标注，对重叠部分根据应用预设方式进行处理。
2.根据权利要求1所述的频域或扫频OCT的全范围分析方法，其特征在于，根据窗口内OCT信号绝对强度是否小于预设噪声阈值，判断窗口内是否是背景；对于背景窗口则不需要区分实像或是镜像，根据应用预设方式进行处理。
3.根据权利要求1所述的频域或扫频OCT的全范围分析方法，其特征在于，所述窗口的大小覆盖一个或多个A-scan。
4.根据权利要求1所述的频域或扫频OCT的全范围分析方法，其特征在于，如果窗口以1个像素为单位移动，则所述窗口内得到的判断结果赋于该窗口的中心像素；如果窗口以整个窗口大小为步长移动，则判断结果赋予该窗口内全部像素。
5.根据权利要求1所述的频域或扫频OCT的全范围分析方法，其特征在于，所述方法用于眼前节OCT图像数据分析时，以能够抑制噪声干扰且使实像镜像度量具有区分度为标准来预设窗口大小。
6.根据权利要求1所述的频域或扫频OCT的全范围分析方法，其特征在于，所述方法用于眼后节OCT图像数据分析时，定义窗口沿轴向的长度为全范围频谱长度的一半。
7.根据权利要求1所述的频域或扫频OCT的全范围分析方法，其特征在于，计算是否为实像还是镜像的度量能够突出窗口内能量分布的不均匀性或是图像的锐利度，定义包括窗口内所有像素的OCT的强度的方差、均值的平方、梯度的绝对值的均值中的一种或几种组合。
8.根据权利要求1所述的频域或扫频OCT的全范围分析方法，其特征在于，还包括，对判断结果做进一步后处理，包括低通、连通域、根据到零延迟线的距离做筛选中的一种或多种。
9.一种频域或扫频光学相干断层扫描OCT的全范围分析系统，其特征在于，包括：
局部分析模块，用于对频域或扫频OCT图像的频域B-scan做局部分析，局部的大小由一对位于零延迟线两侧的对称的窗口定义；包括：度量单元，用于定义一个由OCT信号计算出来的度量，在这对窗口内分别计算出相应的度量；判断单元，用于根据计算出的两个度量的差异来判断两个窗口中是否一侧为实像，一侧为镜像，还是两个窗口均是实像镜像重叠；
全局分析模块，用于移动局部分析窗口，使用局部分析模块对B-scan内所有需要做判断的部分做出判断；
以及，结果处理模块，用于根据判断结果，保留实像部分，并对镜像部分予以压制或是标注，对重叠部分根据应用预设方式进行处理。
10.一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-8任一项所述的频域或扫频OCT的全范围分析方法。
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