CN111493930A - 一种新型内窥血流成像及血流参数量化方法及*** - Google Patents

Abstract

一种新型内窥血流成像及血流参数量化方法，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***由光源、红光、环形器、耦合器、参考臂、光学旋转马达、介入导管、数据采集模块和信号处理模块构成；***结构简单，方法容易实现，得到的数据精度高，有助于医生对疾病的临床诊断。

Description

一种新型内窥血流成像及血流参数量化方法及***

(一)技术领域：

本发明涉及医学成像相关技术领域，尤其是一种新型内窥血流成 像及血流参数量化方法及***。

(二)背景技术：

光学内窥活检技术作为用于诊断人体组织病变的重要手段之一， 已经成为现代光学技术应用的一大方向。传统的光学内窥镜只能观察 内部组织表面，超声内窥技术可以对器官断层的组织形态进行观察， 但由于其分辨率较低，往往难以达到准确诊断所需的分辨率水平。

近年来在医学上，基于血流检测的进行诊断某些疾病的技术愈发 引起医学界的重视，例如激光散斑血流成像技术、多普勒OCT(Optical Coherence Tomography，光学相干层析技术)血流检测技术、基于OCT 的血管造影成像等。但是，现有技术中的大多数技术都存在一些问题， 比如，激光散斑成像技术的分辨率比较低，只能观察比较大的血管； 多普勒血流检测技术则受制于检测角度的影像，当探头对皮肤的检测 夹角接近垂直时其效果非常差。

基于OCT的血管造影技术是新型血管成像技术，具有分辨率高， 成像不受角度影像的优点。其中，光学相干断层扫描血管造影(Optical Coherence Tomographyangiography，简称OCTA)可以实现微细血管 的高精度成像，对体内的血流造影技术具有非常重要的意义，比如在 心血管病的诊治，消化道、食道或者肺的损伤以及肿瘤研究方面。

以心血管疾病领域为例，以往的研究认为心血管急性事件发生与 动脉狭窄程度密切相关，近年来越来越多的研究证实，即使冠状血管 轻中度狭窄时发生急性事件的风险与高度狭窄动脉发生急性病变时 的风险并无明显差别，然而，动脉内易损斑块的破裂及血栓形成则是 急性事件发生发展的决定因素。

斑块内新生血管的密度与斑块的大小、斑块易损性密切相关，斑 块内的新生血管则是斑块易损性的重要标志，并且晚期、进展期动脉 斑块内的新生血管网密度明显高于早期斑块内的新生血管密度，斑块 所致管腔的狭窄程度越重其内的新生血管的密度越高。此外，斑块内 的新生血管还通过运输炎性细胞，间接促使斑块不稳定甚破裂。

然而，在以往的研究中，由于彩超、核磁共振、CT(Computered Tomography，电子计算机断层扫描)、冠状动脉造影、血管内超声等 仪器的分辨率低，不能活体观察易损斑块内新生血管生成，限制了新 生血管与斑块易损性关系的研究。虽然，OCT它能观察血管壁以及斑块内的成分及微细结构信息，但是无法获得微细血管的血流灌注信 息及血流参数信息。在现有的活体血流成像方法中，非光学的成像技 术，如CT、磁共振、PET(PositronEmission Computed Tomography， 正电子发射型计算机断层显像)等，成像速度慢，空间分辨率低，无 法获取单根毛细血管水平的血流灌注时空信息。

目前，所用的OCT能观察血管壁以及斑块内的成分及微细结构 信息，但是无法获得微细血管的血流灌注信息及血流参数信息。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种新型内窥血流成像及血流参数量化 方法及***，它可以弥补现有技术的不足，不但成像清晰度有所提高， 且可进行参数量化处理，有助于血管相关的腔内疾病的确诊和临床指 导，其***结构简单、操作方便。

本发明的技术方案：一种新型内窥血流成像及血流参数量化方法， 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；另一束光则经光学旋 转马达进入介入导管，进行腔内微血管扫描，其反射和散射的光原路 返回成为样品光；

(2)样品光和参考光在耦合器中干涉形成干涉光谱；干涉光经 环形器被数据采集模块采集，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)。

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基于SD-OCTA(Spectral Domain Optical CoherenceTomography angiography，谱域光学相干断层成像血管造影) 的内窥血流成像及血流参数量化***，其特征在于它包括宽带光源、 红光I、环形器I、耦合器I、参考臂I、光学旋转马达I、介入导管I、 数据采集模块I和信号处理模块I；所述宽带光源产生一个光信号， 通过耦合器I分成两路信号；从光学旋转马达I、介入导管I返回的 样品光和参考臂I返回的参考光在耦合器I中发生干涉，形成干涉光 谱，由数据采集模块I对光谱进行采集；所述信号处理模块I接收光 谱信号，对其进行成像和参数量化；其中，所述信号处理模块I是由 OCTA信号处理单元I、影像单元I和参数量化单元I构成；所述信号 处理模块I接收到光谱信号，通过OCTA信号处理单元I进行数据处 理，得到三维分布的血流图像，再通过参数量化单元I对微血管的参 数进行量化分析，最后通过影像单元I与操作者交互。

所述宽带光源的中心波长为1310nm，带宽100nm，光功率为25 mW。

所述耦合器I采用10/90耦合器，其中10％的输出光进入参考臂， 90％的输出光进入光学旋转马达。

所述参考臂I由光纤准直器I-I、透镜I和反射镜I构成；所述耦 合器I的一部分光通过光纤准直器I-I发出平行光，通过透镜I在反 射镜I按原路返回形成参考光。

所述数据采集模块I是由另一光纤准直器I-II、扩束器、光栅、 透镜和光电传感器CCD构成；其连接为常规连接；所述光纤准直器 I-II将得到的干涉光进行准直后入射到扩束器，扩束器用于将准直光 斑的直径扩大，使得照射到所述光栅上的光斑面积增大，照射条纹数 增多，光栅将不同波长的光以不同角度分开发射到透镜I，透镜I将 不同波长的光聚焦到光电传感器CCD，由光电传感器CCD将光信号 转换为电信号发送到信号处理模块I。

一种可实现上述方法的基于SS-OCTA(Swept-Source Optical CoherenceTomography angiography，扫频光学相干断层成像血管造影) 的内窥血流成像及血流参数量化***，其特征在于它包括扫频光源、 红光II、环形器II、波分复用器、耦合器II、参考臂II、光学旋转马 达II、介入导管II、数据采集模块II、信号处理模块II；所述扫频光 源提供光信号、线性频率时钟信号和触发信号；所述光信号通过耦合 器II分为两路信号分别进入参考臂II和光学旋转马达II，返回的信 号进入耦合器II进行干涉，干涉信号分别通过环形器II和波分复用 器进入数据采集模块II；所述数据采集模块接受干涉信号和触发及时 钟信号，由信号处理模块II接收，并对该信号进行成像和参数量化； 所述信号处理模块II是由OCTA信号处理单元II、影像单元II和参 数量化单元II构成；所述信号处理模块II接收到光谱信号，通过OCTA 信号处理单元II进行数据处理，得到三维分布的血流图像，再通过 参数量化单元II对微血管的参数进行量化分析，最后通过影像单元 II与操作者交互。

所述扫频光源是中心波长为1310nm，带宽100nm，输出光功率 为20mW的光源。

所述耦合器II采用50/50的耦合器，即：50％的输出光进入参 考臂，50％的输出光进入光学旋转马达。

所述参考臂II是由准直器II、透镜II和反射镜II构成；所述耦 合器II的一部分光通过准直器II发出平行光，通过透镜II在反射镜 II按原路返回形成参考光。

所述数据采集模块II为光电平衡探测器；所述扫频光源输出线 性时钟k-trigger信号和A-trigger信号，所述光电平衡探测器将干涉 光信号转变为电信号；所述线性时钟k-trigger信号、A-trigger信号和 电数据信号共同接入数据采集模块II；其中，线性时钟k-trigger信号 接入数据采集模块II的信号输入端，A-trigger信号接入数据采集模块II的触发输入端。

本发明的优越性：基于OCTA成像，成像分辨率有所提高，生成 的三维微血管分布图像有助于医生清晰观察到人体内腔道附近组织 的不同分层的微血管分布及其变化，同时可以对微血管的血管直径、 血管密度等参数进行量化分析，对于心血管病的诊治，消化道、食道、 ***、尿道或者肿瘤、溃疡以及肺的损伤等血管相关的腔内疾病发病 机制和确定诊断提供一种重要方法，且实现此方法的***结构简单， 在原有***的基础上变化不大，具有一定的临床实用价值。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种新型内窥血流成像及血流参数量化*** 的一种实施例的结构示意图。

图2为本发明所涉一种新型内窥血流成像及血流参数量化*** 的另一种实施例的结构示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种新型内窥血流成像及血流参数量化方法，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；另一束光则经光学旋 转马达进入介入导管，进行腔内微血管扫描，其反射和散射的光原路 返回成为样品光；

(2)样品光和参考光在耦合器中干涉形成干涉光谱；干涉光经 环形器被数据采集模块采集，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；

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。

(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。

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：

图1是一种可实现上述方法的基于SD-OCTA的内窥血流成像及 血流参数量化***，其特征在于它包括宽带光源、红光I、环形器I、 耦合器I、参考臂I、光学旋转马达I、介入导管I、数据采集模块I 和信号处理模块I；所述宽带光源产生一个光信号，通过耦合器I分成两路信号；从光学旋转马达I、介入导管I返回的样品光和参考臂 I返回的参考光在耦合器I中发生干涉，形成干涉光谱，由数据采集 模块I对光谱进行采集；所述信号处理模块I接收光谱信号，对其进 行成像和参数量化；其中，所述信号处理模块I是由OCTA信号处理 单元I、影像单元I和参数量化单元I构成；所述信号处理模块I接收 到光谱信号，通过OCTA信号处理单元I进行数据处理，得到三维分 布的血流图像，再通过参数量化单元I对微血管的参数进行量化分析， 最后通过影像单元I与操作者交互。

所述宽带光源的中心波长为1310nm，带宽100nm，光功率为25 mW。

所述耦合器I采用10/90耦合器，其中10％的输出光进入参考臂， 90％的输出光进入光学旋转马达。

所述参考臂I由光纤准直器I-I、透镜I和反射镜I构成；所述耦 合器I的一部分光通过光纤准直器I-I发出平行光，通过透镜I在反 射镜I按原路返回形成参考光，如图1所示。

所述数据采集模块I是由另一光纤准直器I-II、扩束器、光栅、 透镜和光电传感器CCD构成；其连接为常规连接；所述光纤准直器 I-II将得到的干涉光进行准直后入射到扩束器，扩束器用于将准直光 斑的直径扩大，使得照射到所述光栅上的光斑面积增大，照射条纹数 增多，光栅将不同波长的光以不同角度分开发射到透镜I，透镜I将 不同波长的光聚焦到光电传感器CCD，由光电传感器CCD将光信号 转换为电信号发送到信号处理模块I，如图1所示。

图2是另一种可实现上述方法的基于SS-OCTA的内窥血流成像 及血流参数量化***，其特征在于它包括扫频光源、红光II、环形器 II、波分复用器、耦合器II、参考臂II、光学旋转马达II、介入导管 II、数据采集模块II、信号处理模块II；所述扫频光源提供光信号、 线性频率时钟信号和触发信号；所述光信号通过耦合器II分为两路 信号分别进入参考臂II和光学旋转马达II，返回的信号进入耦合器 II进行干涉，干涉信号分别通过环形器II和波分复用器进入数据采集 模块II；所述数据采集模块接受干涉信号和触发及时钟信号，由信号 处理模块II接收，并对该信号进行成像和参数量化；所述信号处理 模块II是由OCTA信号处理单元II、影像单元II和参数量化单元II 构成；所述信号处理模块II接收到光谱信号，通过OCTA信号处理 单元II进行数据处理，得到三维分布的血流图像，再通过参数量化 单元II对微血管的参数进行量化分析，最后通过影像单元II与操作 者交互。

所述扫频光源是中心波长为1310nm，带宽100nm，输出光功率 为20mW的光源。

所述耦合器II采用50/50的耦合器，即：50％的输出光进入参 考臂，50％的输出光进入光学旋转马达。

所述参考臂II是由准直器II、透镜II和反射镜II构成；所述耦 合器II的一部分光通过准直器II发出平行光，通过透镜II在反射镜 II按原路返回形成参考光，如图2所示。

所述数据采集模块II为光电平衡探测器；所述扫频光源输出线 性时钟k-trigger信号和A-trigger信号，所述光电平衡探测器将干涉 光信号转变为电信号；所述线性时钟k-trigger信号、A-trigger信号和 电数据信号共同接入数据采集模块II；其中，线性时钟k-trigger信号 接入数据采集模块II的信号输入端，A-trigger信号接入数据采集模块 II的触发输入端，如图2所示。

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 (9)

1.一种新型内窥血流成像及血流参数量化方法，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；另一束光则经光学旋转马达进入介入导管，进行腔内微血管扫描，其反射和散射的光原路返回成为样品光；

(2)样品光和参考光在耦合器中干涉形成干涉光谱；干涉光经环形器被数据采集模块采集，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。

2.根据权利要求1所述一种新型内窥血流成像及血流参数量化方法，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：

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所述一种新型内窥血流成像及血流参数量化方法，其特征在于所述血管密度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；

所述血管骨架密度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；

所述血管直径指数VDI为血管区域占用的像素与血管所占长度之比：

所述血管周长指数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；

所述血管复杂指数VCI的计算方式为：

4.一种可实现权利要求1所述方法的基于SD-OCTA的内窥血流成像及血流参数量化***，其特征在于它包括宽带光源、红光I、环形器I、耦合器I、参考臂I、光学旋转马达I、介入导管I、数据采集模块I和信号处理模块I；所述宽带光源产生一个光信号，通过耦合器I分成两路信号；从光学旋转马达I、介入导管I返回的样品光和参考臂I返回的参考光在耦合器I中发生干涉，形成干涉光谱，由数据采集模块I对光谱进行采集；所述信号处理模块I接收光谱信号，对其进行成像和参数量化；其中，所述信号处理模块I是由OCTA信号处理单元I、影像单元I和参数量化单元I构成；所述信号处理模块I接收到光谱信号，通过OCTA信号处理单元I进行数据处理，得到三维分布的血流图像，再通过参数量化单元I对微血管的参数进行量化分析，最后通过影像单元I与操作者交互。

5.根据权利要求4所述一种基于SD-OCTA的内窥血流成像及血流参数量化***，其特征在于所述宽带光源的中心波长为1310nm，带宽100nm，光功率为25mW；

所述耦合器I采用10/90耦合器，其中10％的输出光进入参考臂，90％的输出光进入光学旋转马达。

6.根据权利要求4所述一种基于SD-OCTA的内窥血流成像及血流参数量化***，其特征在于所述参考臂I由光纤准直器I-I、透镜I和反射镜I构成；所述耦合器I的一部分光通过光纤准直器I-I发出平行光，通过透镜I在反射镜I按原路返回形成参考光；

所述数据采集模块I是由另一光纤准直器I-II、扩束器、光栅、透镜和光电传感器CCD构成；其连接为常规连接；所述光纤准直器I-II将得到的干涉光进行准直后入射到扩束器，扩束器用于将准直光斑的直径扩大，使得照射到所述光栅上的光斑面积增大，照射条纹数增多，光栅将不同波长的光以不同角度分开发射到透镜I，透镜I将不同波长的光聚焦到光电传感器CCD，由光电传感器CCD将光信号转换为电信号发送到信号处理模块I。

7.一种可实现权利要求1所述方法的基于SS-OCTA的内窥血流成像及血流参数量化***，其特征在于它包括扫频光源、红光II、环形器II、波分复用器、耦合器II、参考臂II、光学旋转马达II、介入导管II、数据采集模块II、信号处理模块II；所述扫频光源提供光信号、线性频率时钟信号和触发信号；所述光信号通过耦合器II分为两路信号分别进入参考臂II和光学旋转马达II，返回的信号进入耦合器II进行干涉，干涉信号分别通过环形器II和波分复用器进入数据采集模块II；所述数据采集模块接受干涉信号和触发及时钟信号，由信号处理模块II接收，并对该信号进行成像和参数量化；所述信号处理模块II是由OCTA信号处理单元II、影像单元II和参数量化单元II构成；所述信号处理模块II接收到光谱信号，通过OCTA信号处理单元II进行数据处理，得到三维分布的血流图像，再通过参数量化单元II对微血管的参数进行量化分析，最后通过影像单元II与操作者交互。

8.根据权利要求7所述一种基于SS-OCTA的内窥血流成像及血流参数量化***，其特征在于所述扫频光源是中心波长为1310nm，带宽100nm，输出光功率为20mW的光源；

所述耦合器II采用50/50的耦合器，即：50％的输出光进入参考臂，50％的输出光进入光学旋转马达。

9.根据权利要求7所述一种基于SS-OCTA的内窥血流成像及血流参数量化***，其特征在于所述参考臂II是由准直器II、透镜II和反射镜II构成；所述耦合器II的一部分光通过准直器II发出平行光，通过透镜II在反射镜II按原路返回形成参考光；

所述数据采集模块II为光电平衡探测器；所述扫频光源输出线性时钟k-trigger信号和A-trigger信号，所述光电平衡探测器将干涉光信号转变为电信号；所述线性时钟k-trigger信号、A-trigger信号和电数据信号共同接入数据采集模块II；其中，线性时钟k-trigger信号接入数据采集模块II的信号输入端，A-trigger信号接入数据采集模块II的触发输入端。

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