CN111493853A - 一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法及*** - Google Patents
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Abstract
一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，包括血管扫描、形成干涉光谱、数据采集、成像处理、参数量化及提取、生成血流图像及得到临床数据；实现该方法的***由宽带红外光源、红光光源、环形器、光纤耦合器、参考臂、扫描装置、光谱采集模块及信号处理模块构成；***结构简单，方法容易实现，得到的数据精度高，有助于医生对血管性皮肤病的临床诊断。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及医学成像相关技术领域，尤其是一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法及***。
(二)背景技术：
血管性皮肤病是皮肤美容临床常见疾病之一。最重要的是血管性皮损会使患者产生严重的心理创伤。常见的血管性皮肤疾病主要包括：鲜红斑痣、草莓状血管瘤、海绵状血管瘤、混合性血管瘤和毛细血管扩张症等。治疗方法包括手术切除法、电烙术、冷冻、注射硬化剂等,但这些方法对广泛性、较深的血管性皮损难以控制且副作用较多。解放军总医院激光医学科顾瑛教授发明的光动力疗法(photodynamic therapy，PDT)既能有效消除病变，又不遗留疤痕，疗效好，副作用小。该疗法于1991年1月在临床应用并取得成功，经数千例临床治疗验证，有效率达98％以上。治疗后的病变色可完全消褪，无疤痕，在十余年的随访中未见复发。目前，光动力疗法治疗血管性皮肤疾病的疗效明显优于国内外现有的其它各种治疗手段，是一种理想的治疗方法。
经过近20年对该项技术从基础到临床的***研究发现，PDT治疗血管性皮肤疾病的疗效主要取决于几个关键治疗参数即：血管直径、血管深度、血管密度及表皮层厚度。获取这三个关键治疗参数可以通过病理学活检，但其属于有创检测，活检将遗留斑痕而难于被患者接受。因此，发展一种适合于血管性皮肤疾病病理特点的无创、高精度快速成像手段一直为临床所期待。
随着光学相干断层(Optical Coherence Tomography，简称OCT)成像技术的问世，OCT以其非侵入性，高分辨和快速成像的特点在诸多领域得到了成功应用。由于OCT具备了在皮肤中穿透一定深度的成像能力，为血管性皮肤病的无创检测提供了一项新的可能的光学技术，但由于OCT只能提供结构信息，不能对血管结构实现高精度成像，在获得微细血管的血流灌注信息及血流参数信息的方面却力不从心。近年来，随着光学微血管造影技术与OCT技术的突破，OCT微血管造影(Optical Coherence Tomography Angiography，简称OCT-A)实现了无须造影剂、高空间分辨率和快速成像的完美结合，有望为微血管疾病的诊断带来革命性的突破，具有非常广阔的应用前景。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法及***，它可以弥补现有技术的不足，是一种基于OCT-A技术的方法和***，不但可以对血流进行三维成像，同时还可以对OCT-A图像进行定量描述，可实现血管的参数量化处理，为血管性皮肤病的治疗和监测提供临床指导，其***结构简单、操作方便。
本发明的技术方案：一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)光源发出的光经环形器后被耦合器一分为二，一束光进入参考臂，经反射后按照原光路返回成为参考光；发射到光纤准直器，经光纤准直器出射的光发射到扫描振镜；扫描振镜的出射光经物镜聚焦照射于皮肤下微血管处；光束经反射或散射形成测量光，沿着原光路返回到光纤准直器；
(2)光纤准直器出射的测量光与参考光同时发射到所述光纤耦合器发生干涉；干涉光经环形器被光谱采集模块采集，并传输到信号处理模块进行成像处理和参数量化；
(3)OCT***采集装置在人体组织内血管的同一个位置采集不少于5帧的图像数据，且每帧图像数据中都包括该图像的振幅分量A和相位分量ω；对两个参数进行提取；
(4)根据每幅图像的振幅分量差值ΔA、相位分量差值Δω或两种差值的和ΔA+Δω，求取血流信息，生成OCTA血流图像；
(5)对步骤(4)得到的OCTA血流图像进行量化处理，得到有助于医生客观评估疾病进展和检测治疗的血管密度(Vessel Area Density，简称VAD)、血管骨架密度(VesselSkeleton Density，VSD)、血管直径指数(Vessel Diameter Index，VDI)、血管周长指数(Vessel Perimeter Index，VPI)和血管复杂指数(Vessel Complexity Index，VCI)，对这几个参数进行量化分析，有利于医生对于疾病的客观诊断。
所述步骤(4)中求取血流信息及生成OCTA血流图像的方法具体为：
①通过计算幅度图像相关性的方法提取血流信号；在组织的后向散射光场中，静态组织区域对应的散射光场是保持不变的，具有很强的相关性；而动态血流区域对应的散射光场是随时间变化的，相关性很弱；
②对血管中的同一位置进行至少两次的连续B扫描，根据连续两次B扫图像中局部区域的相关性，即可将组织中的静态信号和动态信号进行分离；
③由于在一帧图像中，无样品信号的区域内的信号幅度值随机变化，因而具有很弱的相关性，导致相关组织结构图像中没有信号的区域具有很强的背景噪声；
④对组织结构图像进行强度阈值设置，每一个强度阈值下都可以生成与其对应的二值化图像，并对二值化图像进行叠加处理，达到去除背景噪声的目的。
所述VAD为微血管血流图像中微血管所占面积与图像总面积之比：
其中，A(i,j)表示血管区域占用的像素；X(i,j)表示微血管图像总像素；
所述VSD为血管图中血管所占长度与总面积之比：
其中，S(i,j)表示血管长度占用的像素；
所述VDI为血管区域占用的像素与血管所占长度之比：
所述VPI为血管周长与OCTA图像总面积之比：
其中P(i,j)表示血管周界内的所有像素；
所述VCI的计算方式为：
一种可实现上述方法的针对血管性皮肤病的血管参数评价***，其特征在于它包括宽带红外光源110、红光光源120、环形器130、光纤耦合器140、参考臂150、扫描装置160、光谱采集模块170及信号处理模块180；所述参考臂150是由准直器I151、透镜I152和反射镜153构成；所述扫描装置160是由准直器II161、透镜II162、物镜163、扫描振镜164和振镜驱动165构成；所述光谱采集***170是由准直器III171、扩束器172、光栅173、透镜III174和光电传感器件线性CCD相机175构成；
所述宽带红外光源110产生一个光信号，依次通过环形器130和光纤耦合器140分成两路光信号，一束光进入参考臂150后被反射镜153反射按照原光路返回成为参考光；另一束光发射到扫描装置160的光纤准直器II161，经光纤准直器II161出射的光经过透镜II162发射到扫描振镜164；经扫描振镜出射的光经物镜163聚焦照射到皮肤下微血管处，经反射或散射的光沿着原光路返回，即依次发射到物镜163、扫描振镜164和光纤准直器II161；经光纤准直器II161出射的测量光与参考光发射到光纤耦合器140发生干涉，经光纤耦合器140出射的干涉光经环形器130发射到光谱采集模块170；所述光谱采集模块170将采集的干涉信号发送到信号处理模块180中。
所述宽带红外光源110采用中心波长为1310nm、半高全宽60nm、发射功率25mW的红外光源，照射到皮肤上功率为20mW。
所述红光光源120采用光源中心波长为655nm的红外光源。
所述光纤耦合器140采用10/90耦合器。
本发明的优越性：基于OCT-A技术，图像成像清晰度提高，在对血流进行三维成像的基础上，使用各种指标来定量描述OCT-A图像，有利于医生多角度解释OCT-A血管造影图像，帮助简化识别病理血管特征的过程，以便能够客观评估疾病进展和治疗监测；可以对于皮肤下微血管的血管直径、血管深度、血管密度等参数进行量化分析，通过参数分析极大提高了血管性皮肤病，如鲜红斑痣、草莓状血管瘤、海绵状血管瘤、混合性血管瘤和毛细血管扩张症等的诊断准确性。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法的工作流程示意图。
图2为本发明所涉一种针对血管性皮肤病的血管参数评价***的结构示意图。
其中，110为宽带红外光源；120为红光光源；130为环形器；140为光纤耦合器；150为参考臂；151为准直器I；152为透镜I；153为反射镜；160为扫描装置；161为准直器II；162为透镜II；163为物镜；164为扫描振镜；165为振镜驱动；170为光谱采集模块；171为准直器III；172为扩束器；173为光栅；174为透镜III；175为光电传感器件线性CCD相机；180为信号处理模块。
(五)具体实施方式：
实施例：一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，如图1所示，其特征在于它包括以下步骤：
(1)光源发出的光经环形器后被耦合器一分为二，一束光进入参考臂，经反射后按照原光路返回成为参考光；发射到光纤准直器，经光纤准直器出射的光发射到扫描振镜；扫描振镜的出射光经物镜聚焦照射于皮肤下微血管处；光束经反射或散射形成测量光，沿着原光路返回到光纤准直器；
(2)光纤准直器出射的测量光与参考光同时发射到所述光纤耦合器发生干涉；干涉光经环形器被光谱采集模块采集，并传输到信号处理模块进行成像处理和参数量化；
(3)OCT***采集装置在人体组织内血管的同一个位置采集不少于5帧的图像数据，且每帧图像数据中都包括该图像的振幅分量A和相位分量ω；对两个参数进行提取；
(4)根据每幅图像的振幅分量差值ΔA、相位分量差值Δω或两种差值的和ΔA+Δω，求取血流信息，生成OCTA血流图像；
(5)对步骤(4)得到的OCTA血流图像进行量化处理，得到有助于医生客观评估疾病进展和检测治疗的血管密度(Vessel Area Density，简称VAD)、血管骨架密度(VesselSkeleton Density，VSD)、血管直径指数(Vessel Diameter Index，VDI)、血管周长指数(Vessel Perimeter Index，VPI)和血管复杂指数(Vessel Complexity Index，VCI)，对这几个参数进行量化分析，有利于医生对于疾病的客观诊断。
所述步骤(4)中求取血流信息及生成OCTA血流图像的方法具体为：
①通过计算幅度图像相关性的方法提取血流信号；在组织的后向散射光场中，静态组织区域对应的散射光场是保持不变的，具有很强的相关性；而动态血流区域对应的散射光场是随时间变化的，相关性很弱；
②对血管中的同一位置进行至少两次的连续B扫描，根据连续两次B扫图像中局部区域的相关性，即可将组织中的静态信号和动态信号进行分离；
③由于在一帧图像中，无样品信号的区域内的信号幅度值随机变化，因而具有很弱的相关性，导致相关组织结构图像中没有信号的区域具有很强的背景噪声；
④对组织结构图像进行强度阈值设置，每一个强度阈值下都可以生成与其对应的二值化图像，并对二值化图像进行叠加处理，达到去除背景噪声的目的。
所述VAD为微血管血流图像中微血管所占面积与图像总面积之比：
其中，A(i,j)表示血管区域占用的像素；X(i,j)表示微血管图像总像素；
所述VSD为血管图中血管所占长度与总面积之比：
其中，S(i,j)表示血管长度占用的像素；
所述VDI为血管区域占用的像素与血管所占长度之比：
所述VPI为血管周长与OCTA图像总面积之比：
其中P(i,j)表示血管周界内的所有像素；
所述VCI的计算方式为：
一种可实现上述方法的针对血管性皮肤病的血管参数评价***，其特征在于它包括宽带红外光源110、红光光源120、环形器130、光纤耦合器140、参考臂150、扫描装置160、光谱采集模块170及信号处理模块180；所述参考臂150是由准直器I151、透镜I152和反射镜153构成；所述扫描装置160是由准直器II161、透镜II162、物镜163、扫描振镜164和振镜驱动165构成；所述光谱采集***170是由准直器III171、扩束器172、光栅173、透镜III174和光电传感器件线性CCD相机175构成；
所述宽带红外光源110产生一个光信号，依次通过环形器130和光纤耦合器140分成两路光信号，一束光进入参考臂150后被反射镜153反射按照原光路返回成为参考光；另一束光发射到扫描装置160的光纤准直器II161，经光纤准直器II161出射的光经过透镜II162发射到扫描振镜164；经扫描振镜出射的光经物镜163聚焦照射到皮肤下微血管处，经反射或散射的光沿着原光路返回，即依次发射到物镜163、扫描振镜164和光纤准直器II161；经光纤准直器II161出射的测量光与参考光发射到光纤耦合器140发生干涉，经光纤耦合器140出射的干涉光经环形器130发射到光谱采集模块170；所述光谱采集模块170将采集的干涉信号发送到信号处理模块180中。
所述宽带红外光源110采用中心波长为1310nm、半高全宽60nm、发射功率25mW的红外光源，照射到皮肤上功率为20mW。
所述红光光源120采用光源中心波长为655nm的红外光源。
所述光纤耦合器140采用10/90耦合器。
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明的一种针对血管性皮肤病的血管参数评价***基于OCT血管造影实现，包括宽带红外光源110、红光光源120、环形器130、光纤耦合器140、参考臂150、扫描装置160、光谱采集模块170、信号处理模块180。其中，参考臂150包括准直器I151，透镜II152，反射镜153；扫描装置160包括准直器II161、透镜II162、物镜163、扫描振镜164、振镜驱动165。光谱采集模块170包括准直器III171、扩束器172、光栅173、透镜III174和光电传感器件线性CCD相机175。
本实施例的宽带红外光源110采用光源中心波长为1310nm，半高全宽60nm，发射功率25mW，照射到皮肤上功率为20mW；红光光源120采用光源中心波长为655nm；以此为例，不限于此。宽带红外光源110发出的红外光依次经过环形器130和光纤耦合器140被分为两束光，一束光进入参考臂150后被反射镜153反射按照原光路返回成为参考光。另一束光发射到扫描装置160的光纤准直器II161，经光纤准直器II161出射的光经过透镜II162发射到扫描振镜164，经扫描振镜出射的光经物镜163聚焦照射到皮肤下微血管处，经反射或散射的光沿着原光路返回，即依次发射到物镜163、扫描振镜164和光纤准直器II161，经光纤准直器II161出射的测量光与参考光发射到光纤耦合器140发生干涉，经光纤耦合器140出射的干涉光经环形器130发射到光谱采集模块170，光谱采集模块170将采集的干涉信号发送到信号处理模块180采用现有的插值、色散补偿、傅里叶变换等图像处理方法进行处理得到三维皮肤下微血管图像。通过量化分析血管直径、血管深度、血管密度等来诊断血管性皮肤病。
振镜驱动165和光谱采集模块170同时连接信号处理模块180，以保证扫描和采集的同步性。红光光源120发出的红光与红外宽带光同路，起到指示光的作用，红光功率较小且在返回过程中被环形器过滤掉，所以不会影响红外光谱信息。
下面，我们结合上述针对血管性皮肤病的血管参数评价***工作流程图进行具体描述。
如图2所示，本实施方式提供了一种针对血管性皮肤病的血管参数评价******工作流程，包括如下步骤：
S100、红光确定扫描的皮肤位置。调节扫描装置160的角度，使出射的指示红光垂直照射于待测皮肤区域。
S200、调试扫描装置与皮肤距离。调节扫描装置160与待测皮肤之间的距离，使由物镜出射的红外光聚焦于待测皮肤下微血管处。
S300、扫描装置采集皮肤微血管信息。宽带红外光源110发出红外光，依次经过环形器130和光纤耦合器140到达扫描装置160，经光纤准直器II161出射的光经过透镜II162发射到扫描振镜164，经扫描振镜出射的光经物镜163聚焦照射到皮肤下微血管；信号处理模块180利用振镜驱动165控制扫描振镜164对皮肤下微血管进行扫描，并接收散射和反射的光按原路返回，与参考光在光纤耦合器140中干涉，形成干涉光谱；同时，信号处理模块180控制光谱采集模块170采集干涉光谱，使扫描和采集达到一致；并且，光谱采集模块170将采集到的干涉光谱信号转化为电信号传递到信号处理模块180进行处理成像和参数量化等。
S400、对采集信息进行提取、处理、成像。由于步骤S300的OCT三维数据既包括待测皮肤下微血管的OCT三维数据，还包括皮肤表层、角质层等的三维数据，因此，我们需要从OCT三维数据中提取出皮肤下微血管。另外，步骤S130的OCT三维数据只是初步采集到的数据，我们利用图像处理技术对其进行了进一步的处理。
S500、对结果进行量化。利用软件处理图像信息，对皮肤下微血管的血管面积密度(VAD)、血管骨架密度(VSD)、血管直径指数(VDI)、血管周长指数(VPI)和血管复杂指数(VCI)等参数进行量化分析，通过参数分析极大提高了血管性皮肤病，如鲜红斑痣、草莓状血管瘤、海绵状血管瘤、混合性血管瘤和毛细血管扩张症等的诊断准确性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)光源发出的光经环形器后被耦合器一分为二，一束光进入参考臂，经反射后按照原光路返回成为参考光；发射到光纤准直器，经光纤准直器出射的光发射到扫描振镜；扫描振镜的出射光经物镜聚焦照射于皮肤下微血管处；光束经反射或散射形成测量光，沿着原光路返回到光纤准直器；
(2)光纤准直器出射的测量光与参考光同时发射到所述光纤耦合器发生干涉；干涉光经环形器被光谱采集模块采集，并传输到信号处理模块进行成像处理和参数量化；
(3)OCT***采集装置在人体组织内血管的同一个位置采集不少于5帧的图像数据，且每帧图像数据中都包括该图像的振幅分量A和相位分量ω；对两个参数进行提取；
(4)根据每幅图像的振幅分量差值ΔA、相位分量差值Δω或两种差值的和ΔA+Δω，求取血流信息，生成OCTA血流图像；
(5)对步骤(4)得到的OCTA血流图像进行量化处理，得到有助于医生客观评估疾病进展和检测治疗的血管密度VAD、血管骨架密度VSD、血管直径指数VDI、血管周长指数VPI和血管复杂指数VCI，对这几个参数进行量化分析，有利于医生对于疾病的客观诊断。
2.根据权利要求1所述一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，其特征在于所述步骤(4)中求取血流信息及生成OCTA血流图像的方法具体为：
①通过计算幅度图像相关性的方法提取血流信号；在组织的后向散射光场中，静态组织区域对应的散射光场是保持不变的，具有很强的相关性；而动态血流区域对应的散射光场是随时间变化的，相关性很弱；
②对血管中的同一位置进行至少两次的连续B扫描，根据连续两次B扫图像中局部区域的相关性，即可将组织中的静态信号和动态信号进行分离；
③由于在一帧图像中，无样品信号的区域内的信号幅度值随机变化，因而具有很弱的相关性，导致相关组织结构图像中没有信号的区域具有很强的背景噪声；
④对组织结构图像进行强度阈值设置，每一个强度阈值下都可以生成与其对应的二值化图像，并对二值化图像进行叠加处理，达到去除背景噪声的目的。
3.根据权利要求1所述一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，其特征在于所述VAD为微血管血流图像中微血管所占面积与图像总面积之比：
其中，A(i,j)表示血管区域占用的像素；X(i,j)表示微血管图像总像素。
4.根据权利要求1所述一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，其特征在于所述VSD为血管图中血管所占长度与总面积之比：
其中，S(i,j)表示血管长度占用的像素。
5.根据权利要求1所述一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，其特征在于所述VDI为血管区域占用的像素与血管所占长度之比：
6.根据权利要求1所述一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，其特征在于所述VPI为血管周长与OCTA图像总面积之比：
其中P(i,j)表示血管周界内的所有像素。
7.根据权利要求1所述一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法，其特征在于所述VCI的计算方式为：
8.一种可实现上述方法的针对血管性皮肤病的血管参数评价***，其特征在于它包括宽带红外光源110、红光光源120、环形器130、光纤耦合器140、参考臂150、扫描装置160、光谱采集模块170及信号处理模块180；所述参考臂150是由准直器I151、透镜I152和反射镜153构成；所述扫描装置160是由准直器II161、透镜II162、物镜163、扫描振镜164和振镜驱动165构成；所述光谱采集***170是由准直器III171、扩束器172、光栅173、透镜III174和光电传感器件线性CCD相机175构成；
所述宽带红外光源110产生一个光信号，依次通过环形器130和光纤耦合器140分成两路光信号，一束光进入参考臂150后被反射镜153反射按照原光路返回成为参考光；另一束光发射到扫描装置160的光纤准直器II161，经光纤准直器II161出射的光经过透镜II162发射到扫描振镜164；经扫描振镜出射的光经物镜163聚焦照射到皮肤下微血管处，经反射或散射的光沿着原光路返回，即依次发射到物镜163、扫描振镜164和光纤准直器II161；经光纤准直器II161出射的测量光与参考光发射到光纤耦合器140发生干涉，经光纤耦合器140出射的干涉光经环形器130发射到光谱采集模块170；所述光谱采集模块170将采集的干涉信号发送到信号处理模块180中。
9.根据权利要求8所述一种针对血管性皮肤病的血管参数评价***，其特征在于所述宽带红外光源110采用中心波长为1310nm、半高全宽60nm、发射功率25mW的红外光源，照射到皮肤上功率为20mW。
10.根据权利要求9所述一种针对血管性皮肤病的血管参数评价***，其特征在于所述红光光源120采用光源中心波长为655nm的红外光源；所述光纤耦合器140采用10/90耦合器。
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