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基于散斑方差的光学断层扫描血管成像方法研究

发布时间:2019-12-02 10:39

  =  摘要

  光学相干断层扫描技术( OCT)是过去二十年快速发展的成像技术,它利用弱相干光干涉仪的基本原理,探测不同深度生物组织对入射弱相干光的背向散射或者几次散射信号,再通过扫描就可以得到生物组织结构图像。在近几年,OCT 血管成像技术发展为 OCT 领域的一个新兴的研究热点。

  本文研究的是基于散斑方差的血流成像方法。具体方案为使用扫频光学相干层析成像系统对样品相同位置多次重复 B 扫描,在数据处理时,散斑方差算法通过计算同一像素位置在相邻帧之间的基于强度的结构图的散斑方差,血流和周边的静态结构像素的强度值导致了计算方差的大小的差异,是血流和周边的静态结构像之间的对比源。本论文设计了血流成像模拟实验、皮肤血管造影实验与眼底血管造影实验三部分实验,研究散斑方差与流体速度的关系。实验结果证明了散斑方差算法的准确性与实用性。

  关键词:光学相干层析成像,散斑方差,血管成像

  第一章 绪论

  1.1 OCT 技术介绍

  OCT 技术能够实现人眼组织的非接触式非侵入性层析成像。OCT 利用近红外线以及光学干涉原理来进行成像。将光源发出的光线分成两束,一束用于信号臂并发射到被测物体(血管组织);另一束是参考臂,并被发射到参考反光镜中。接着把从信号臂和从参考臂反射回来的两束信号光进行叠加,当信号臂和参考臂的长度一致时,这时会发生干涉。虽然,OCT 是超声技术的光学模拟,但其轴

  向分辨率取决于光源的相干特性,分辨率为 10 mm

  ,同时观察前段和后段的形态

  结构,在眼内疾病的诊断中具有良好的应用前景。OCT 技术的发展进步,使得具有更多的散射介质(如皮肤)的成像成为可能,应用领域也更为广泛。OCT 可以依据癌组织和健康组织之间不同的光谱特征和结构获得清晰的成像,从而可以实时准确诊断[1-3]。

  1.1.1 OCT 的发展历史

  自二十世纪末以来,OCT 技术在不同的应用水平上快速增长。1991 年,美国的科学家 D.Huang 等人在期刊上发表了关于 OCT 系统实现的第一篇文章,其采用 OCT 对人眼视网膜的冠状动脉壁进行成像;然后美国研究学者史密斯等人将 OCT 技术用于生物组织光学特性的参数测量,取得了较为理想地效果;1996 年 Carl Zeiss Meditec 把眼科 OCT 系统改进设计出临床医疗器械,投放到了市场[4]。国内于 90 年代中期也开始关注 OCT 技术,发展到现在,OCT 已然作为一项成熟的测量技术,在医学成像领域被广泛应用。OCT 技术自问世以来,世界各国各研究机构为了提高 OCT 性能、扩展应用范围,进行了大量科学研究,出现许多新方法,使 OCT 技术不断进步[5]。

  1.1.2 OCT 技术的应用

  OCT 技术最早应用于眼科学应用领域,它对黄斑部疾病的诊断有重要应用价值,很多眼底病的发生和发展都与黄斑区血管丢失相关。例如,糖尿病视网膜

  病变引起的黄斑区血管丢失是视力丧失的主要原因[6]。OCT 技术还可应用于肠胃道的检测,基于横向扫描光纤系统的标准式导管内窥镜已被设计出并已应用。OCT 技术在口腔医学上也有应用,其适用于龋齿的检查,取得了非常良好的临床效果。OCT 技术应用在心血管疾病方面也比较多,因为其对比度良好,可以清晰得到冠状动脉的斑状结构,由此可以得到血管壁的详细信息[7-8]。

  OCT 不仅在医学领域有很多应用,也在不断地向其他领域推进,如工业方面,可以转换成位移的被测量的测量,如薄底片的厚度测量、位移传感器等; OCT 技术也可用在材料学方面,使用 OCT 技术对复合材料进行了无损伤的检测。

  1.2 OCT 人体血管成像技术

  1.2.1 OCT 人体血管成像的常见方法

  OCT 血管成像的常见方法有基于相位方差方式、散斑方差式以及幅度去相关方法。

  相位方差方式基于 A-scan 之间相位变化差异实现成像,其利用血管中血液流动区域与相对静止区域成像的相位方差差异进行血管成像:选取同一点多张B-scan 图像,进行傅里叶变换得到相应的多张强度图与相位图,再对多张强度图像进行平均处理后得到一张强度图,在需要分析的强度图区域选取相位图区域, 计算血管相位方差进行成像分析。

  幅度去相关方法的具体原理是对眼底同一位置重复采集 N 幅 B-scan 图像, 对这 N 幅 B-scan 图像中任意两幅图像,对图像中的每一个像素,计算在这两幅图像中该像素的最小和最大幅度值比值,然后对所有可能的两幅图像组合所计算得到的比值进行平均,以此来作为血管造影图像像素的幅度值,这种技术的优点是处理后的 OCT 信号不仅增强血流探测,还减少了被测物体在图像上轴向运动的影响。

  本文研究的是基于散斑方差的血管成像方法,散斑方差算法其原理是对相同像素位置的相邻帧之间计算其强度结构图的散斑方差。水平像素数为 N 时,N 次 A-scan 为一次 B-scan,一次 B-scan 可以成像为一个面。基于散斑方差的成像

  方法为解相关方法,计算相邻两次 B-scan 结构图对应位置处的强度方差,通过不同 B-scan 之间变化散斑图样来区分微血管和其他组织。

  1.2.2 OCT 人体血管成像技术的临床应用

  光学相干断层扫描不仅具有非侵入性的诊断工具的优点,OCT 图像的垂直分辨率可以达到l0 mm ,其分辨率比现在的临床诊断设备高 10 倍以上。OCT 光纤结构很容易进入内窥镜、导管等进行工作,内部的器官检查由于其高分辨率也可以得到理想的效果。

  OCT 对黄斑部疾病的诊断有重要应用价值,很多眼底病的发生和发展都与黄斑区血管丢失相关,在人体显示血管图像非常重要,现今临床中荧光造影及吲哚菁绿造影都需要对静脉进行染料注射,其可能会引起患者过敏、恶心等不良反应,所以非侵入性的进行眼底组织血管的 OCT 成像技术优点非常突出。在心血管疾病方面,OCT 有着对比度良好的优点,可以清晰得到冠状动脉的斑状结构, 由此可以得到血管壁的详细信息。在冠状动脉 OCT 影像里,因为存在脂肪钙化斑状的阴影效应和较大的后向散射,利用 OCT 技术,脂肪钙化斑状层、纤维动脉粥样化和正常动脉壁对比可以清晰地观测出来[9]。

  1.3 本文研究目的和主要研究内容

  论文研究主题是基于散斑方差的光学断层扫描血管成像方法的研究,主要通过散斑方差算法方式对牛奶模拟人体血管实验、人体皮肤成像实验与眼底血管造影实验三个实验所采集的数据进行处理,从而得到所需的玻璃导管管中流体、人体皮肤血管、眼底血管里的血流等图像的信息,同时对系统设计的可行性进行探究思考。

  本论文包括四个章节,每章研究内容如下:

  第一章概述光学相干层析成像技术,并简要介绍与阐述了 OCT 技术以及

  OCT 血管造影技术。

  第二章主要围绕本文研究内容展开,主要进行扫频 OCT 理论、系统搭建及算法设计的叙述。

  第三章为实验分析部分,以图文形式阐述实验过程以及实验结果,并对处理

  结果进行对比分析,是本文的主体内容。

  第四章对实验进行了总结,并对自己作为本科毕业生今后的研究发展方向进行展望。

  第二章 扫频 OCT 系统及算法设计

  2.1 扫频 OCT 系统总体设计

  2.1.1 SSOCT 成像理论

  OCT 系统基于成像原理可以分成时域 OCT (TDOCT) 和傅里叶域OCT(FDOCT)。时域 OCT 逐点对样品进行深度扫描,探测样品时先后探测样品不同深度组织处的光学信息;傅里叶域 OCT 较大幅地提高成像速度和灵敏度,其通过测量背向散射光的干涉信号强度。傅里叶域 OCT 可以分为谱域 OCT

  SSOCT 系统的核心模块是迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer),其利用分振幅法生成两个光束从而实现干涉。Michelson 干涉仪具有良好的适应性, 其优点是光路完全闭合,抗电磁干扰能力强,光纤两臂可绕成任意形状,对被测介质影响较小等。光纤反射臂的光传导特性会受到环境因素如温度和压力的影响,因此光纤迈克尔逊干涉仪可以实现光纤应变、温度等物理量的测量[12]。

  图 2.2 为 SSOCT 系统原理图。来自扫频激光源的光被 50/50 的光纤耦合器

  分成两束光。在光学分束器中,光束的一部分(50%)进入样品臂,被传输到样品上;另一部分(50%)进入参考臂被反射到位于已知空间位置的参考镜上。入射光束遇到组织内的结构或表面时发生反射,它包含了来自样品内部接口的多个回声,经由两臂中反射面反射回来的背向散射光通过一个 50/50 的光纤耦合器发生干涉,干涉信号由平衡探测器探测得到[13]。平衡探测器探测得到的干涉信号先经过低通滤波器用以去除频率高于 155MHz 的信号存入电脑中。

  2.2.2 散斑方差算法设计

  在本论文中,我们选用散斑方差算法对重建后的图像进行处理,对相同像素位置的相邻帧之间计算其强度结构图的散斑方差。

  散斑成因:物体通过光学系统成像,光线在物面覆盖足够多的面元,来自不同面元的光线在同一像点处叠加干涉,因此形成散斑现象。

  物体表面是不规则的,精确给定其表面结构及物面光场复振幅量非常困难, 其散斑场难以求得,故用概率统计的方法研究散斑现象。

  散斑方差算法是通过结构 OCT 信号计算的,散斑方差算法对相同像素位置

  的相邻帧之间计算其强度结构图的散斑方差。SV 成像的方法是一种解相关方法, 计算相邻对应位置处的两帧结构图的的强度方差:

  式(2-7 )中栅格长度 N 指定了方差计算中使用的帧数, i、j 和 k 分别为帧数、横向和轴向像素的相关参数[15-17]。

  课题为扫描血管成像方法的研究,考虑流动血液的影响。在不同的组织运动情况下,必须选择两个参数来优化 SV 的计算方法,即栅格长度 N 和帧速率。SV 的对比是由于不同时间的流体和静体的散射特性,当获得帧的时间较大时,在流体中像素的强度值为瑞利分布,而静止固体中像素的强度值为高斯分布[18]。

  2.2.3 血管图像增强算法

  实验系统获取的源图像,通常会受环境或系统自身影响带有各种噪声,会对图像质量有较大的影响。在分析图像之前,我们需要改善图像质量,对图像进行去噪与增强等处理,滤除图像中的背景噪声,有选择地突出图像中感兴趣的特

  征,并衰减不需要的特征[19]。

  (1) 中值滤波

  中值滤波是基于排序统计理论的非线性图像信号处理技术,其基本原理是把图像中的某一像素点的值用邻近域中各像素点灰度的中值代替,使周围像素值接近真实值,从而有效地滤除噪声[20]。

  在 MATLAB 中,对图像进行中值滤波的代码:

  I=medfilt2(A); %对图像进行中值滤波

  (2) 直方图均衡化

  通过对图像非线性拉伸处理,重新分配图像像素值,从而使一定灰度范围内的像素值的数量大致相等,这便是直方图的均衡化原理。输出图像的直方图是一个较平的分段直方图,当输出数据的分段值较小的时候,会产生粗略的分类的视觉效果[21]。

  在 MATLAB 中,对图像进行直方图均衡化代码: I=im2uint8(I); % 转 I 数 据 类 型 为 uint8 I2=histeq(I); %对图像进行直方图均衡化处理

  (3) 腐蚀

  腐蚀有利于从一副分割图像中去除小且无意义的物体。腐蚀的结果是使剩下物体沿着它的周围比原物体小一个像素的面积。腐蚀定义:

  E = B ? S = {x, y | Sxy í B} ; (2-8) 式(2-8)说明由 S 对 B 腐蚀所产生的二值图像 E 是这样的点(x,y)的集合:

  如果 S 的原点位移到点(x,y),那么 S 将完全包含于 B 中。

  在 MATLAB 图像处理工具箱中提供了 imerode 函数实现图像的腐蚀操作。其调用格式为:

  IM2=imerodea( IM,SE ) IM2=imerodea (IM,NHOOD) IM2=imerodea(...,PACKOPT,M) IM2=imerodea(...,SHAPE)

  其中 IM 为输入图像; IM2 为膨胀后的输图像; SE 为结构元素对象,SE 可以

  是一个定义结构元素领域的进制知阵或是由 strel 函数返回的对象:PACKOPT、SHAPE 和 M 为可选参数,SHAPE 参数用来影响输出图像的大小,PACKOPT 参数说明输入图像是否为打包二进制图像。

  2.2.4 二值化

  图像二值化就是将图像上的像素点的灰度值设置为 0 或 255,也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果。将灰度图上的 256 个亮度等级通过适当的阙值选取并获得以反映图像最直观的整体和局部信息的一值化图像。图像二值化可使图像简单化城少了图像数热量而且可以凸显出感兴趣的轮廓。

  在 MATLAB 中,自动获取二值化阈值并对图像进行二值化代码:

  thresh = graythresh(A); %自动确定二值化阈值

  I = im2bw(A,thresh); %对图像二值化设一二值化阈值并对图像进行二值化代码:

  I = im2bw(A,0.25); %对图像进行二值化,阈值可改变

  第三章 实验及结果分析

  3.1 血流成像模拟实验及结果

  3.1.1 静止液体成像

  将牛奶注入毛细玻璃管中,玻璃管两端做密封处理,得到了静止牛奶液体样品。使用 SSOCT 系统对制作好的样品进行扫描可以直接得出原始结构图,再进行散斑方差算法处理,结果如图 3.1:

  图 3.1 静止牛奶图像:(a)原始图像 (b)散斑方差图像

  通过图像对比,经散斑方差算法处理后的图像对静止牛奶样品进行了结构还原。其中毛细玻璃管壁在处理后的成像较暗,这是因为管壁属于固体,算法处理中的散斑方差远小于牛奶部分。牛奶虽然处于静止状态,但由于布朗运动的存在, 分子不间断做无规则运动,所以实际上静止的牛奶与同样静止的玻璃管壁形成了鲜明对比。此部分实验结果不仅为下文提供了对照,也初步证明了散斑方差算法在血管成像中的可行性。

  如图 3.2,对静止牛奶的实验数据分别采用 3、4、5 至 10 张 B-scan,再进行散斑方差处理所得图像进行比较:

  图 3.2 静止牛奶采用不同 B-scan 数目计算散斑结果图

  由图 3.2 可知,在计算散斑方差时,随着 B-scan 数目的增加,散斑图像越来越亮,结果与预期相符合。

  对同一数目的 B-scan 下处理所得的散斑图像,取图中牛奶中的部分区域求其散斑方差值的和,并将横坐标设定为 B-scan 数目,纵坐标设定为散斑值,绘制出了折线图,结果如图 3.3:

  图 3.3 不同数目 B-scan 下散斑值值的比较折线图

  由图 3.2 与图 3.3 可知,在计算散斑方差时采集 B-scan 数目越大时, 散斑值越大,且成像结果较亮。散斑方差值得和 B-scan 数目约呈线性关系,在

  B-scan 数目取 3 张时,其成像效果已经符合预期,在后面的散斑计算中,B-scan 数目均选取值为 3。

  3.1.2 动态流体成像

  选用纯牛奶通过毛细玻璃管的流动来模拟人体血管中的血流,控制牛奶流动的部分则由注射器完成,值得注意的是,实验前需要对导管与注射器针头部位进行加热密封处理,防止进行实验时液体漏出对实验仪器造成损坏。为使牛奶液体匀速通过导管,使用了注射泵作推动力,以此便于控制液体流速。实验系统搭建如图 3.4:

  图 3.4 实验系统搭建

  设定多种液体流速进行测量,对每种速度采取多次测量求平均的方法保证据准确性,并对不同流速的成像结果进行比对,结果如图 3.5:

  图 3.5 不同流速牛奶处理结果图

  由图 3.5 可知,低流速(5ml/h、10ml/h、20ml/h)情况下,牛奶散斑图像白色的像素区黑色像素较多;高流速(5ml/h、10ml/h、20ml/h)情况下,牛奶散斑图像白色的像素区黑色像素较少,且牛奶散斑图像的白色像素区较密集。随着流速的增加,动态牛奶散斑图像的像素区密集程度增大。

  为更直观的对比不同流速的牛奶对散斑方差算法成像结果的影响,对同一数目的 B-scan 下处理所得的散斑图像,取图中牛奶中的部分区域求其散斑方差值的和,并将横坐标设定为流速,纵坐标设定为散斑值,绘制出了折线图,结果如图 3.6:

  图 3.6 不同流速下散斑值值的比较折线图

  在较低流速(0ml/h、5ml/h、10ml/h)时,散斑值呈现递减形势,散斑值受布朗运动影响较大;在流速不断增加后,散斑值越来越大,且变化趋势越来越缓。这个结果充分表明了流速变化对于散斑方差算法处理的结果造成了影响。

  3.2 皮肤血管造影实验

  选取手掌拇指周围血管明显的部位进行扫描,这样做便于在成像中找到血流位置,并且可以最大程度减少环境方面对成像结果的干扰;在进行皮肤数据采集前,需要注意的是实验前我们要对扫描部位涂抹超声胶,作用是尽可能的减少皮肤表面漫反射对实验成像结果的影响。

  如图 3.7,成像最上方区域是表皮区,表皮位于皮肤表面,表皮区域对探测光的漫反射最明显。表皮下方的成像明显位置则是真皮区,对成像结果影响不大。最下方的皮下组织层则是需要的部分,该区域一般由血管及自主运动神经构成, 在手掌拇指区域的成像均为静脉部分,成像质量较高,这也是我们在人体皮肤实验中选用拇指周围部分进行探测的原因。

  图 3.7 OCT 图像对应皮肤结构位置图:(a)OCT 结构图,(b)人体皮肤结构图

  如图 3.8,为经过散斑处理并拉平处理后的皮肤血管图像,白色部分即为血管。

  图 3.8 散斑处理皮肤图像

  如图 3.9,定义 SUM 值:我们要看血管的俯视图,假设 SUM 设为 50,即从第一张到第五十张做一个平均作为第一个俯视图,第二张到第五十一张做平均作为第二个俯视图。

  图 3.9 不同 SUM 值皮肤血流成像图

  从所处理图像中我们可以清晰地看到血流结构,皮肤组织中的背景信号往往会对成像结果造成影响,但经过散斑方差算法的处理,组织层血管壁内的最大血流都被显示了出来,且基本不受背景信号影响。

  对散斑图进行中值滤波、直方图均衡化等处理,结果如图 3.10:

  图 3.10 对散斑图像增强图

  图 3.10 中,经直方图均衡化处理后的散斑图像取得了较理想的效果,血管部分有明显的增强。

  为了验证血流成像图的准确性,采用幅度去相关算法(OCTA)对皮肤数据进行了处理,其算法原理如下:

  图 3.18 散斑图与幅度去相关图的比较:(a)散斑原图,(b)散斑腐蚀图,(c)散斑二值化图,(d)幅度去相关原图,(e),幅度去相关腐蚀图,(f)幅度去相关二值化图

  如图 3.18,两者结果图虽并非完全一致,但在主要血管部位的成像吻合度相当高。眼底血管成像实验的实验数据充分表明了散斑方差算法在血管成像技术中实用性与准确性,且在成像质量方面,散斑方差算法处理所得图像符合预期,血管成像较为明显。我相信,经过不断地发展完善,散斑方差算法会给我们的生产生活带来更多的贡献。

  第四章 总结与展望

  通过一个学期的毕业设计,我学习到了许多知识,如 OCT 系统原理、散斑方差算法原理以及相关 OCT 成像方法。本论文介绍了 OCT 的相关发展历史、工作原理、系统结构和图像处理的相关方法。在整个毕业设计的过程中,我学会了面对一个完全陌生的课题时,该如何着手处理。

  在毕业设计的过程中,我首先对 OCT 系统、散斑方差算法进行理论学习, 完成血流成像模拟实验、皮肤血管造影实验与眼底血管造影实验采集的以及对实验数据进行处理,分别得到毛细玻璃管中流体、人体皮肤毛细血管、眼底血管中血流的图像信息,并对所得图像进行后续去噪、增强等处理。

  作为一名本科毕业生,本篇论文的撰写以及实验的系统设计对我来说都是挑战,但这次对基于散斑方差的光学断层扫描血管成像的方法研究的课题探究让我学到了很多知识,也希望自己今后在工作生活中脚踏实地,学习更多先进知识, 努力充实提高自己。

毕业论文:http://www.3lunwen.com/jsj/tx/5362.html

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