CN116725492B - 一种基于光学相干层析成像的血管成像方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学相干层析成像的血管成像方法及其***，方法包括如下操作：利用光谱域OCT成像采集***对样品进行扫描并逐点采集干涉光谱信号；对干涉光谱信号进行波数域的均匀采样和逆傅里叶变换运算，得到样品任意点的轴向深度反射率信息；对于任意一个y轴坐标位置下的N个B‑scan截面结构信号，采用去相关函数进行时域去相关，得到去相关信号；将结构信号、去相关信号和强度掩模信号进行乘积，获得血管造影成像的三维信号，结合三维中值滤波和高斯滤波的图像处理方法，通过沿着深度方向做最大值投影来绘制表征二维正面的血管造影图像。通过本发明的方法和***提高了基于OCT技术实现的血管造影成像的图像对比度和清晰度。

Description

一种基于光学相干层析成像的血管成像方法及其***

技术领域

本发明涉及血管造影成像技术领域，具体是一种基于光学相干层析成像的血管成像方法及其***。

背景技术

通过注射外源造影剂并采用影像设备可实现对人体血管的造影成像，然而造影剂对人体会产生一定的副作用。OCT技术是一种利用光照成像的方法，与人体不发生直接接触，没有侵入性，这种成像模式对人体没有任何副作用，同时OCT技术采用显微物镜可以实现在空间三个维度上均为微米级的高分辨率成像。针对活体生物组织成像时，OCT信号包括有静态组织信号、动态血液和血细胞信号。静态组织信号在时间域具有高度相关性，而动态血液和血细胞信号则在时间域具有较高的非相关性。利用OCT技术，可对同一截切面进行多次扫描成像，每次成像存在一定时延，可获得的截切面任意一个像素的时间信号为复数信号，针对该信号的去相关方法包括有：基于相位的去相关、基于振幅的去相关和基于复振幅的去相关。对于基于相位的去相关方法，只考虑了相位信息，而活体生物体的生理抖动和成像***的振动都将对相位产生扰动，需要剔除这部分因素影响，因此该方法容易产生较大背景噪声。基于振幅的去相关方法，只考虑强度信息，而流动血液和血红细胞产生的强度变化不是很明显，因此该方法对于提取血管部分的信息不够敏感，对于小血管的造影成像有所缺失。基于复振幅的去相关方法，同时考虑相位和强度组分，提升了对血管成像的灵敏度。

基于复振幅的去相关方法主要包括有复数差分方法和归一化的复数与复共轭乘积方法，基于复数差分法也需要校正生物体的全局抖动产生的相位扰动，而基于归一化的复数与复共轭乘积法由于在它们的乘积过程中提取了相位扰动因子并采用取模操作(如表达式a所示)，因此自动消除了该相位因子，不需要提前进行相位校正，设置的去相关函数为曲线类型如图4所示。但是以上两种方法尽管各自将静态背景尽可能的置零，同时保留了血流信息，但是由于***干涉引入的噪声、采集过程引入的噪声和生物组织呼吸心态引入的噪声都将对静态组织产生不定影响，同时血流信息的差异也存在相关性，无法单纯通过差分方法或者复数去相关方法来有效提取。因此，基于OCT技术，通过物理手段实现的血管造影成像方法，依然存在着较大的图像背景噪声影响和血管对比度较低的现象。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于光学相干层析成像的血管成像方法及其***，通过本发明的方法和***有效地增强血流信号和静态组织背景信号的差异，提高基于OCT技术实现的血管造影成像的图像对比度和清晰度。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种基于光学相干层析成像的血管成像方法，包括如下操作：利用光谱域OCT成像采集***对样品进行扫描并逐点采集干涉光谱信号；

利用OCT图像重建方法，对干涉光谱信号进行波数域的均匀采样和逆傅里叶变换运算，得到样品任意点的轴向深度反射率信息，并且为复数信号，记做R(x,y,z,t)，其中，x，y，z用于表示像素位置，t表示重复测量次数为1,2,…,N，N为连续测量次数，R表示复数；

对于任意一个y轴坐标位置下的N个B-scan的x-z截面的结构信号，采用去相关函数进行时域去相关，得到去相关信号；

将结构信号、去相关信号和强度掩模信号进行乘积，获得血管造影成像的三维信号，结合三维中值滤波和高斯滤波的图像处理方法，通过沿着深度方向做最大值投影来绘制表征二维正面的血管造影图像

本发明的进一步改进在于：利用光谱域OCT成像采集***对样品进行扫描并逐点采集干涉光谱信号具体操作为：对同一样品B-scan进行多次重复采集：光谱域OCT成像***在同一y轴向位置处，沿x轴向对B-scan的x-z截面进行连续地重复扫描，重复次数为N，然后沿着y轴向移动一个位置，再次沿x轴向对B-scan的x-z截面进行连续地重复扫描，重复次数为N，直至y轴向的扫描完成为止。

本发明的进一步改进在于：所述去相关函数表达式为：

其中，在一个深度窗口中，任意深度像素位置处的归一化复数互相关w(m)为一个长度为2l+1的沿深度方向的开关窗口，R^*为复数R的复共轭，t为重复测量次数，z表示B-scan的x-z截面的像素在z轴上的位置，g为去相关信号，l为定值，m为自变量，取值为2l+1。

本发明的进一步改进在于：所述将结构信号、去相关信号和强度掩模信号进行乘积，获得血管造影成像的三维信号的具体步骤包括：

a、获取结构信号：获取任意一个y坐标处的N个B-scan的x-z截面的结构信号，并以对数形式表达，表示为：I_struct＝log₁₀(|R|²)，其中，R表示复数，I_struct为结构信号；

b、制作强度掩模信号：针对去相关信号g设置一个阈值，低于阈值信号的数值置0，高于阈值信号的数值置1，将二值化的强度掩模信号记做I_mask；

c、采用结构信号、去相关信号和强度掩模信号的乘积表征血管造影成像的三维信号，表达式为：

I_angio＝I_struct×g×I_mask；

其中，I_angio为血管造影成像的三维信号。

本发明是一种基于光学相干层析成像的血管成像***，所述血管成像***包括OCT图像采集***模块、OCT结构图像重建模块、血管图像分析获取模块、图像优化处理模块；

所述OCT图像采集***模块，用于利用光谱域OCT成像模式通过逐点扫描的成像方法采集样品任意点的干涉光谱信息；

所述OCT结构图像重建模块，用于对所述OCT图像采集***模块获得的干涉光谱信号进行波数域的均匀化采样和逆傅里叶变换运算，得到样品任意点的轴向深度反射率信息，并且为复数信号；

所述血管图像分析获取模块，用于对复数信号进行时域去相关，并提取血管造影成像的三维信号；

所述图像优化处理模块，用于对样品血管造影成像的三维信号进行三维中值滤波和高斯滤波优化处理，将优化后的三维信号，通过沿着深度方向做最大值投影来绘制表征二维正面的血管造影图像。

本发明的进一步改进在于：所述OCT图像采集***模块采用的成像方式为B-M模式。

本发明的进一步改进在于：所述血管图像分析获取模块采用去相关函数对复数信号进行时域去相关，去相关函数表达式为：

其中，w(m)为一个长度为2l+1的沿深度方向的开关窗口，R^*为复数R的复共轭，t为重复测量次数，z表示B-scan的x-z截面的像素在z轴上的位置，g为去相关信号，l为定值，m为自变量，取值为2l+1。

本发明的进一步改进在于：所述血管图像分析获取模块提取的血管造影成像的三维信号表达式为：

I_angio＝I_struct×g×I_mask；

其中，I_mask为强度掩模信号，I_struct为结构信号，I_angio为血管造影成像的三维信号。

本发明的有益效果是：本发明通过设计的去相关函数在信号去相关的基础之上，进一步优化去除了静态组织信号本身就存在不相关的扰动噪声，同时进一步优化去除了动态血流信号中存在的少量具有相关性的信号背景，有效地提高血管成像的对比度，可以更好地表征较细小的血管脉络分布。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程示意图；

图2是本发明实施例的***原理示意图；

图3是本发明实施例的去相关函数曲线示意图；

图4是本发明背景技术中的曲线示意图；

图5是本发明实施例的OCT图像采集***结构图；

图6是本发明实施例的方法对活体小鼠耳朵测量并分析获得的血管造影成像图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，本发明的一种基于光学相干层析成像的血管成像***包括所述血管成像***包括OCT图像采集***模块、OCT结构图像重建模块、血管图像分析获取模块、图像优化处理模块；OCT图像采集***模块是利用光谱域OCT成像模式通过逐点扫描的成像方法采集任意点的干涉光谱信息。OCT结构图像重建模块获取到的干涉光谱信号，在波数域进行重新均匀化采样获得新的干涉光谱信号，并对该光谱信号进行逆傅里叶变换处理，可获取得到任意点的轴向深度反射率信息，并且为复数信号，记做R(x,y,z,t)。血管图像分析获取模块用于对复数信号进行时域去相关，并提取血管造影成像的三维信号。图像优化处理模块用于对样品血管造影成像的三维信号进行三维中值滤波和高斯滤波优化处理，将优化后的三维信号，通过沿着深度方向做最大值投影来绘制表征二维正面的血管造影图像。

OCT图像采集***模块采用的成像方式为B-M模式，即，在同一y轴向位置处，沿x轴向对B-scan的x-z截面进行连续地重复扫描，重复次数为N，然后沿着y轴向移动一个位置，再次沿x轴向对B-scan的x-z截面进行连续地重复扫描，重复次数为N，直至y轴向的扫描完成为止。OCT图像采集***模块的光源为宽谱光源，3dB带宽覆盖有100nm以上，光谱能量输出稳定。OCT图像采集***模块还包括成像物镜、逐点扫描模块、参考臂光路、样品臂光路和探测模块。其中，成像物镜为一个放大率10倍显微物镜，NA为0.26。逐点扫描模块是一个二维扫描振镜，可分别沿着x轴向和y轴向进行移动扫描，A-scan的扫描帧率可达70KHz。参考臂光路和样品臂光路中的光学光器件均相同，不会产生色散作用，避免对干涉结果产生其他影响。探测模块是一个光谱仪***，包括有一个衍射光栅、聚焦透镜和阵列相机。衍射光栅线对数为1800线/mm，阵列相机则可采集2048个像素，并实现70KHz的信号采集。

本发明的OCT图像采集***模块具体结构如图5所示，工作原理为：超连续谱激光器经过一个带通滤波器F可输出一段3dB谱宽为100nm的准直光束，波段中心波长此处选择的是550nm，但也可以选择其他波段范围。准直光束经过4F透镜***L1和4F透镜***L2进行光斑扩束至5mm，再由一个分束器BS将光斑均匀的分为两束等功率光斑，一束光斑进入参考臂光路，首先穿过一个可调衰减片NDF1，然后在通过一个显微物镜OBJ1聚焦光斑至一个反射镜M1上，光束从反射镜原路返回至分束器，另一束光斑进入样品臂光路，同样穿过一个可调衰减片NDF2，然后经过一个二维扫描振镜，在通过反射镜M2进入显微物镜OBJ2，照射至样品面，背向散射光从样品出射并沿原路返回至分束器。从参考臂返回的光束和从样品臂返回的光束合束后进入4F透镜***L3和4F透镜***L4进行光斑缩束，并通过透射式衍射光栅对光谱进行色散，再经过聚焦透镜L5，所有的波长都聚焦在一个阵列相机的各个像素位置处。通过同时控制二维扫描振镜和阵列相机，可以实现对任意平面扫描点位置的干涉光谱信号的采集和读取，采集的波长数目为2048个像素。

血管图像分析获取模块具体操作步骤包括：

1)，为了提取血管组分，相比之下组织组分是静态信息，在多次测量中信号相关性较强，而血管内有血液流动同时有血红细胞的运动，在多次测量中信号相关性较弱，采用如下去相关函数可实现对血管信息的有效提取：

其中，在一个深度窗口中，任意深度像素位置处的归一化复数互相关w(m)表示一个长度为2l+1的沿深度方向的开关窗口，t表示重复测量次数为1,2,…,N,R^*表示R的复共轭，l为定值，m为自变量，取值为2l+1，z表示B-scan的x-z截面的像素在z轴上的位置，g为去相关信号。

对于复数OCT信号R(x,y,z,t)，在静态组织中可以将其认为是不变信号，即与t变量无关，在做去相关时a值趋近于1，但是由于***干涉引入的噪声、采集过程引入的噪声和生物组织呼吸心态引入的噪声都将对静态组织产生影响，因此a值有可能会离开1值；同时，对于血管位置处的信号，由于血流和血红细胞的流动，随t变量实时改变，在做去相关时a值趋于0，但是对于毛细血管这类微细血管，其血流较慢，快速高效率的采集将使得信号变化较小，导致a值将离开0值。采用a值的去相关将导致血管与静态组织对比度变差，采用本发明的去相关函数，如图3所示，在a值稍远离0和1值时，可以进一步使得边缘数值(g值)更加接近1值和0值，从而有效提升了血管与组织间的对比度，降低了各种噪声对成像的影响；

2)，为了体现血管成分来源于结构信息，获取任意一个y坐标处的N个B-scan的x-z截面的结构信号，并以对数形式表达，可记做：I_struct＝log₁₀(R²)；

3)，为了进一步隔离组织背景噪声，针对去相关信号g设置一个阈值，低于阈值信号的数值置0，高于阈值信号的数值置1；将此二值化的强度掩模信号记做I_mask；4)，为了有效表征血管造影图像的信息，采用三个信号的乘积来实现，可记做：I_angio＝I_struct×g×I_mask。

相对于如图4所示的现有的相关函数的曲线，图3中蓝色虚线框内信号相比于图4相同位置处更加趋近于0，图中绿色虚线框内的信号相比于图4相同位置处更加趋近于1。可见，在背景信号中存在一定无相关性的噪声时，可以通过本发明的相关函数进行噪声抑制；同时在血流信号中存在少量的相关性信号，通过本发明的相关函数也得到了有效抑制。因此，基于本发明的去相关函数能有效地提高血管成像的对比度。

如图1所示，本发明的基于光学相干层析成像的血管成像方法的具体步骤包括：

S1，利用光谱域OCT成像采集***对样品进行扫描并逐点采集干涉光谱信号；S2，利用OCT图像重建方法，对干涉光谱信号进行波数域的均匀采样和逆傅里叶变换运算，得到样品任意点的轴向深度反射率信息，并且为复数信号，记做R(x,y,z,t)，其中，x，y，z用于表示像素位置，t表示重复测量次数为1,2,…,N，N为连续测量次数，R表示复数；

S3，对于任意一个y轴坐标位置下的N个B-scan的x-z截面的结构信号，采用去相关函数进行时域去相关，得到去相关信号；

S4，将结构信号、去相关信号和强度掩模信号进行乘积，获得血管造影成像的三维信号，结合三维中值滤波和高斯滤波的图像处理方法，通过沿着深度方向做最大值投影来绘制表征二维正面的血管造影图像。

S1中采用的采集方式为B-M模式，在同一y轴向位置处，沿x轴向对B-scan的x-z截面进行连续地重复扫描，扫描次数至少大于2次，本实施例中采用的次数为5次，得到该y轴向位置处的5个B-scan的x-z截面的结构信号，然后沿着y轴向移动一个位置，再次沿x轴向对B-scan的x-z截面进行连续地重复扫描，重复次数为5，直至y轴向的扫描完成为止，采集得到的干涉光谱信号为有所y轴向位置下的所有B-scan的x-z截面的结构信号，可记录为四维数组S(x,y,λ,t)，在本实施例中x为512，y为512，λ为2048，t取值为1,2,3,4,5。

S2中将四维数组S(x,y,λ,t)从波长维度数据转换到波数域的数据，并通过插值运算在波数域均匀采样获取一组新的数据集S’(x,y,k,t)，并通过对波数维度进行逆傅里叶变换运算可以得到深度方向的反射率信息，记作R(x,y,z,t)＝FFT(S’(x,y,k,t))。

S3中为了提取血管组分，相比之下组织组分是静态信息，在多次测量中信号相关性较强，而血管内有血液流动同时有血红细胞的运动，在多次测量中信号相关性较弱，对于任意一个y轴坐标位置下的N个B-scan的x-z截面的结构信号，采用如下去相关函数可实现对血管信息的有效提取：其中/>w(m)表示一个长度为2l+1的沿深度方向的开关窗口，本实施例中l取5，t表示1,2,…,5,R^*表示R的复共轭。由此可以得到一个表示去相关信号的三维数组g(x,y,z)。

S4中，对任意一个y坐标处的5个B-scan的x-z截面的结构信号做强度平均，并以对数形式表达，可记做：I_struct＝log₁₀(mean(|R|²,4))，得到一个表示结构信号的新的三维结构数组I_struct(x,y,z)。

为了进一步隔离组织背景噪声，针对去相关信号g设置一个阈值，低于阈值信号的数值置0，高于阈值信号的数值置1；将此二值化的强度掩模信号记做I_mask(x,y,z)。

为了有效表征血管造影图像的信息，采用三个信号的乘积来实现，可记作：I_angio＝I_struct×g×I_mask，该血管造影成像的三维信号为三维数据集可表示为I_angio(x,y,z)。

对三维数据集I_angio(x,y,z)进行了三维中值滤波的图像处理，以及三维高斯滤波的图像处理流程，进而将优化后的三维图像信息，通过沿着深度方向做最大值投影来绘制表征二维正面的血管造影图像，深度范围可根据血管位置自行选定，本实施例中取得像素区间是120到200，得到的血管图像如图6所示。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，除非类似这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光学相干层析成像的血管成像方法，其特征在于：包括如下操作：利用光谱域OCT成像采集***对样品进行扫描并逐点采集干涉光谱信号；

利用OCT图像重建方法，对干涉光谱信号进行波数域的均匀采样和逆傅里叶变换运算，得到为复数信号的样品任意点的轴向深度反射率信息，记做R(x,y,z,t)，其中，x，y，z用于表示像素位置，t表示重复测量次数为1,2,…,N，N为连续测量次数，R表示复数；

对于任意一个y轴坐标位置下的N个B-scan的x-z截面的结构信号，采用去相关函数进行时域去相关，得到去相关信号；

将结构信号、去相关信号和强度掩模信号进行乘积，获得血管造影成像的三维信号，结合三维中值滤波和高斯滤波的图像处理方法，通过沿着深度方向做最大值投影来绘制表征二维正面的血管造影图像；

利用光谱域OCT成像采集***对样品进行扫描并逐点采集干涉光谱信号具体操作为：对同一样品B-scan进行多次重复采集：光谱域OCT成像***在同一y轴向位置处，沿x轴向对B-scan的x-z截面进行连续地重复扫描，重复次数为N，然后沿着y轴向移动一个位置，再次沿x轴向对B-scan的x-z截面进行连续地重复扫描，重复次数为N，直至y轴向的扫描完成为止；

所述去相关函数表达式为：

其中，在一个深度窗口中，任意深度像素位置处的归一化复数互相关w(m)为一个长度为2l+1的沿深度方向的开关窗口，R^*为复数R的复共轭，t为重复测量次数，z表示B-scan的x-z截面的像素在z轴上的位置，g为去相关信号，l为定值，m为自变量，取值为2l+1；所述将结构信号、去相关信号和强度掩模信号进行乘积，获得血管造影成像的三维信号的具体步骤包括：

a、获取结构信号：获取任意一个y坐标处的N个B-scan的x-z截面的结构信号，并以对数形式表示，表示为：I_struct＝log₁₀(|R|²)，其中，R表示复数，I_struct为结构信号；

b、制作强度掩模信号：针对去相关信号g设置一个阈值，低于阈值信号的数值置0，高于阈值信号的数值置1，将二值化的强度掩模信号记做I_mask；

c、采用结构信号、去相关信号和强度掩模信号的乘积表征血管造影成像的三维信号，表达式为：

I_angio＝I_struct×g×I_mask；

其中，I_angio为血管造影成像的三维信号。

2.一种基于光学相干层析成像的血管成像***，其特征在于：所述血管成像***包括OCT图像采集***模块、OCT结构图像重建模块、血管图像分析获取模块、图像优化处理模块；

所述OCT图像采集***模块，用于利用光谱域OCT成像模式通过逐点扫描的成像方法采集样品任意点的干涉光谱信息；

所述OCT结构图像重建模块，用于对所述OCT图像采集***模块获得的干涉光谱信号进行波数域的均匀化采样和逆傅里叶变换运算，得到为复数信号的样品任意点的轴向深度反射率信息；

所述血管图像分析获取模块，用于对复数信号进行时域去相关，并提取血管造影成像的三维信号；

所述图像优化处理模块，用于对样品血管造影成像的三维信号进行三维中值滤波和高斯滤波优化处理，将优化后的三维信号，通过沿着深度方向做最大值投影来绘制表征二维正面的血管造影图像；

所述OCT图像采集***模块采用的成像方式为B-M模式；

所述血管图像分析获取模块采用去相关函数对复数信号进行时域去相关，去相关函数表达式为：

其中，在一个深度窗口中，任意深度像素位置处的归一化复数互相关w(m)为一个长度为2l+1的沿深度方向的开关窗口，R^*为复数R的复共轭，t为重复测量次数，z表示B-scan的x-z截面的像素在z轴上的位置，g为去相关信号，l为定值，m为自变量，取值为2l+1；

所述血管图像分析获取模块提取的血管造影成像的三维信号表达式为：

I_angio＝I_struct×g×I_mask；

其中，I_mask为强度掩模信号，I_struct为结构信号，I_angio为血管造影成像的三维信号。