CN107485366B - 一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法。本发明设计搭建了高速光干涉断层成像***平台，并设计验证利用微泡进行微血管造影成像增强的实验方案，然后通过对采集的实验数据进行对比分析，证明微泡在影像增强具有较为显著的效果。由此可说明本发明提出的基于微泡增强的光学微血管造影方法是一种非常有效的增强方法。

Description

一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法
技术领域
本发明涉及光学微血管造影成像技术领域，具体为一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法。
背景技术
OCT（光学相干断层成像），是20世纪90年产生的一门新的成像技术。该技术在医学应用上具有高分辨率、非侵入式成像特征。OCT可分为时域OCT和频域OCT,其中频域OCT扫描速度远远大于时域OCT，已经取代时域OCT。利用OCT进行光学微血管造影是近几年提出的一个新技术，该技术结合oct断层扫描，无需注射造影剂即可对组织下的微血管进行成像，且具有极高的分辨率。微血管造影成像技术，主要分为基于强度信息血管成像和基于强度相位信息结合的血管成像方法。基于强度信息方法对数据采集要求简单，但对于细节成像和整体成像效果相对基于强度和相位信息结合的成像方法有一定差距。本发明利用基于相位和强度信息结合的算法结合微泡造影剂对光学微血管造影影像进行增强。
微泡作为一种增强造影剂已经在超声成像和CT成像等医疗成像领域广泛应用。并且利用微泡对超声图像增强的效果也已经得到普遍的认同。微泡通过注射进入血管，然后通过血液循环到达需要检测的组织器官，通过超声对微泡的激发作用，可以增强超声成像的可视化效果。
基于OCT结合微泡进行微血管造影提升图像增强的方法，有学者提出利用强度方差方法结合微泡进行血管造影可以提高成像效果，但是基于简单光斑强度方差对于细节和噪声敏感性表现较差，本发明提出利用相位和幅度结合的方法结合微泡进行造影成像，此方法对成像细节和噪声敏感性表现较好，但对成像***和算法要求较高，本发明对***进行设计并对***和算法及实验进行有效结合。
利用高速扫频或者光谱域光学微血管造影成像，选用基于幅值和相位信息并利用微泡进行图像增强，可达到较为明显的效果，本发明提出并设计验证了此方法。
发明内容
本发明涉及一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法，其中包括：高速微血管造影***搭建，实验方法设计，微泡增强微血管成像，数据分析。
一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法，包括：
（1）高速扫频光干涉断层成像***平台或高速光谱光干涉断层成像***搭建；
（2）基于微泡的光学微血管增强方案实验设计；
（3）基于微泡的光学微血管增强成像算法；
（4）数据分析和对比。
进一步地，高速扫频光干涉断层成像***平台包括：
（1）高速扫频光源：快速扫描特性满足成像采集速度，长相干特性满足扫描纵深范围。
（2）大范围扫描探头：与高速扫频光源和分辨率要求相适应的探头。
（3）平衡探测器
（4）运动控制模块
（5）PC及影像控制***：振镜、光源和采集协同工作。
进一步地，高速光谱域光干涉断层成像***平台包括：
（1）宽带光源：干涉中心波长和带宽满足设备需求的干涉光源。
（2）光谱仪：用于干涉光光谱分析
（3）高速CCD
（4）运动控制模块
（5）PC及影像控制***：振镜、光源和采集协同工作
进一步地，基于微泡的光学微血管增强成像算法为：利用信号强度信息和相位信息相结合的微血管造影算法，对无微泡扫描组数据和有微泡扫描组数据分别成像。
进一步地，针对不同组成像结果进行对比，分析微泡增强前后影像差异，得出增强结论。
本发明提供了一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法。具备以下有益效果：
本发明提出利用相位和幅度结合的方法结合微泡进行造影成像，此方法对成像细节和噪声敏感性表现较好，但对成像***和算法要求较高，本发明对***进行设计并对***和算法及实验进行有效结合。
利用高速扫频或者光谱域光学微血管造影成像，选用基于幅值和相位信息并利用微泡进行图像增强，可达到较为明显的效果，本发明提出并设计验证了此方法。
附图说明
图1为本发明高速微血管造影***搭建结构示意图。
图2为本发明高速微血管造影***搭建结构示意图。
图3为本发明扫描采集的数据做成像处理示意图。
图4为本发明投影获取血流信息示意图。
图5为本发明注射微泡时采集的微血管造影数据图。
图6为本发明注射微泡后2分钟后扫描采集获取的数据。
图7为本发明8分钟后采集扫描的数据数据。
图8为本发明15分钟采集扫描的数据。
图9为本发明小白鼠耳未进行微泡注射造影成像。
图10为本发明注射微泡溶液后2分钟扫描的数据。
图11为本发明注射8分钟扫描的影像数据。
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做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。
如图1所示，本发明实施方式包括三个部分，高速光学微血管造影***搭建，实验
实施例一高速微血管造影***搭建
请参阅图1，本实施例包括：红光1，高速扫频光源或宽带光源2，光纤耦合器3，参考臂，XY扫描振镜5，探头6，干涉仪7，数据采集模块8，oct血管造影算法9，影像***10，数据传输11，样品臂12，控制卡13.
高速扫频光源或者宽带光源2：高速微血管造影***设计为大范围高精度扫描***：所用的光源为扫频速度200KHZ,长相干光源。可以保证在一定纵深的情况下，依然可以实现有效的成像穿透深度，组织穿透深度可达近2mm。设计为小范围扫描，用宽带光源搭建基于光谱域的高速扫描***，扫描速度由CCD速度决定，采用CCD速度为145KHZ。
XY扫描振镜：振镜控制采用输出控制卡方式进行控制，振镜扫描范围可达10mmx10mm大范围成像。振镜震动方式和光源输出信号及帧间同步信号保持同步。
探头：设计大范围成像，前提要保证横向分辨率不能降低，畸变不能增大。因此在探头物镜设计时，增加防畸变片，并保证数值孔径不会降低横向分辨率。
数据采集模块：数据采集采用Alazartech9373高速数据采集卡，采集控制由PC主机发送。数据传输通过PCI-E传输到内存进行数据预处理和转换。
影像***：显示实时采集的断层扫描数据，并提供影像交互调节。通过在影像***添加振镜振镜控制，对于光谱域光干涉***还需添加CCD控制，可以实时调节成像范围和采集速度。通过在影像***添加压电陶瓷控制模块，可对光路准直压电陶瓷调节器进行调节，压电陶瓷调节可直接通过软件对光路准直进行校准，方便用户操作。
具体实施方式控制为：高速扫频光源或者宽带光源2，参考臂4，样品臂12，光纤耦合器3组成一个光干涉仪，红光1，作为准直激光起准直定位作用。控制卡对XY振镜控制，并且振镜扫描速率和帧速率设置，光源扫描设置同步。数据采集卡模块对干涉仪输出的信号采集出入内存，并由内存写入存储盘。通过调用光学微血管造影算法可对存储盘数据进行成像操作，结合影像***进行人机交互。
实施例二实验方法设计
请参阅图3，本实施例包括：实验设计14，实验受体选择16，新西兰兔15，小白鼠17，耳朵18，对照组19，微泡注射20，数据处理21，扫描时间设置22，注射后立即扫描23，相隔不同时间24，数据处理21。
扫描时间设置：指对选择动物的受体进行实验时，分不同时间对注射微泡后的动物组织部位进行实验数据扫描采集。
微泡注射：利用配制的微泡试剂对选择的动物受体进行注射。本实施例，采用脂质微泡配制溶液作为注射试剂。为避免注射伤口干扰扫描采集数据，针对受体新西兰兔对左耳注射，扫描右耳进行数据采集。同样，针对小白鼠，采用腿部注射，扫描右耳采集数据。
数据处理：针对按照试验方案采集的数据，利用基于相位加幅度信息算法进行微血管造影成像。
具体实施方式控制为：设计基于微泡增强的微血管造影实验方案，选择实验动物个体，本实验选择新西兰兔和小白鼠两只动物作为实验个体，选择耳朵作为扫描部位，做脱毛处理。设置对照组，对照组：即针对没有做过微泡注射实验个体扫描的数据进行处理获取微血管造影影像。针对注射动物个体，按照注射后时间段分别进行数据采集，依次分为扫描后立即采集，扫描后数个时间段扫描。最后，针对扫描采集的数据做成像处理。
实施例三微泡增强微血管造影成像。
基于oct断层扫描进行微血管造影成像方法，一般基于信号幅值信息进行造影成像计算。并且，计算所使用的影像数据都是基于无微泡造影情况下进行。本实施例展示一种基于相位加幅度信息的方法对注射微泡后扫描的数据进行造影成像。
请参阅图4，本实施例包括以下几个部分：干涉信号22，帧整理23，运动补偿24，相位和幅值信息分析25，血流信息提取26。
干涉信号22：即通过采集模块对探测器输出的信号采集并保存到存储盘的原始信号数据。
帧整理23：针对硬件扫面速度和造影成像算法参数配置，设置在同一个位置扫描帧的次数n，并把该n张帧图片作为计算当前位置断层血流数据的基准影像数据。
运动补偿24：在扫面采集数据时，探头和组织会产生相对运动，这种相对运动会给计算微血管造影成像带来噪声影响，并且严重影响可视化效果。由此引入运动补偿方法，运动补偿是通过对连续帧间基线或者领域窗内进行图像匹配估计出帧间匹配运动误差，然后通过反变换消除误差。
相位和幅值分析25：采集的原始数据通过傅里叶变换，解析成具有幅值和相位信息的复信号。利用相同位置连续扫描的帧数，构建复矩阵。通过求解可得到具有相位和幅值信息的矩阵的特征值和特征向量。
血流信息提取26：根据求解的特征向量和特征值信息，结合主成分分析法，对血流信息进行提取。然后利用enface 算法对所有断层截面信息进行强度投影获取血流信息。
实施例四数据分析
本实施例对实验后获取的数据进行对比。通过数据对比，可以发现注射微泡前后扫描采集的数据具有较为明显的区别。请参照图5、图6、图7、图8：图5为没有进行注射微泡时，采集的新西兰右耳微血管造影数据。图6为注射微泡后2分钟后扫描采集获取的数据，图7为8分钟后采集扫描的数据，图8为15分钟采集扫描的数据。由此可见，在进行微泡注射后微血管造影影像在微血管细节方面表现更为丰富，随时间增加，血液中微泡浓度降低，微细血管数量显示减少。图9是小白鼠耳未进行微泡注射造影成像，图10为注射微泡溶液后2分钟扫描的数据，图11为注射8分钟扫描的影像数据。小白鼠耳在注射微泡后血管细节也有增加，随着时间增加血液中微泡浓度降低，血管细节数量相应减少。由此可见，注射微泡对于光学微血管造影成像增强具有显著的效果。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法，其特征在于：包括：
（1）高速扫频光干涉断层成像***平台或高速光谱光干涉断层成像***搭建；
（2）基于微泡的光学微血管增强方案实验设计；
（3）基于微泡的光学微血管增强成像算法；采用基于相位加幅度信息的方法对注射微泡后扫描的数据进行造影成像；包括以下步骤：
获取干涉信号：获取采集模块对探测器输出的信号采集并保存到存储盘的原始信号数据；
帧整理：针对硬件扫描速度和造影成像算法参数配置，设置在同一个位置扫描帧的次数为n，并把n 张帧图片作为计算当前位置断层血流数据的基准影像数据；
运动补偿：对连续帧间基线或者领域窗内进行图像匹配估计出帧间匹配运动误差，通过反变换消除误差；
相位和幅值分析：采集的原始数据通过傅里叶变换，解析成具有幅值和相位信息的复信号，利用相同位置连续扫描的帧数，构建复矩阵；通过求解可得到具有相位和幅值信息的矩阵的特征值和特征向量；
血流信息提取：根据求解的特征向量和特征值信息，结合主成分分析法，对血流信息进行提取；
（4）数据分析和对比。
2.按照权利要求1所述的一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法，其特征在于：高速扫频光干涉断层成像***平台包括：
（1）高速扫频光源：快速扫描特性满足成像采集速度，长相干特性满足扫描纵深范围；
（2）大范围扫描探头：与高速扫频光源和分辨率要求相适应的探头；
（3）平衡探测器；
（4）运动控制模块；
（5）PC及影像控制***：振镜、光源和采集协同工作。
3.按照权利要求1所述的一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法，其特征在于：高速光谱光干涉断层成像***包括：
（1）宽带光源：干涉中心波长和带宽满足设备需求的干涉光源；
（2）光谱仪：用于干涉光光谱分析；
（3）高速CCD；
（4）运动控制模块；
（5）PC及影像控制***：振镜、光源和采集协同工作。
4.按照权利要求1所述的一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法，其特征在于：基于微泡的光学微血管增强成像算法为：利用信号强度信息和相位信息相结合的微血管造影算法，对无微泡扫描组数据和有微泡扫描组数据分别成像。
5.按照权利要求1所述的一种基于微泡增强的光学微血管造影成像方法，其特征在于：针对不同组成像结果进行对比，分析微泡增强前后影像差异，得出增强结论。
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