Oct血管造影数据的分析和可视化的制作方法

文档序号:6214271阅读:892来源:国知局
Oct血管造影数据的分析和可视化的制作方法
【专利摘要】提供了用于分析和可视化OCT血管造影数据的方法。在一种实施方式中,提供了用于识别在由运动对比度数据生成的二维前位图像中的中心凹无血管区的自动化方法。提供了若干3D可视化技术,其包括这样一种,其中选择运动对比度图像中的特定血管且凸显所有连接的血管。进一步的实施方式包括立体可视化方法。此外,描述了用于表征OCT血管造影图像数据的各种度量。
【专利说明】OCT血管造影数据的分析和可视化
[0001]优先权
[0002]以下申请要求2012年5月10日提交的美国临时申请序列号61/645,513和2012年8月20日提交的美国临时申请序列号61/691,219的优先权,这两个申请的内容通过引用方式并入本文。

【技术领域】
[0003]本发明涉及医学成像,且具体地涉及通过光学相干断层成像术所获得数据的分析和可视化方法。

【背景技术】
[0004]光学相干断层成像术是使用相干门(coherence gating)以获得组织微结构的高分辨率横截面图像的无创的、非接触的成像模型。在傅立叶域OCT(FD-OCT)中,在来自参考的光和来自样本点的背向散射光之间的干涉信号被记录在频域(频率域)而不是时域(时间域)。波长校准后,一维傅立叶变换被采取以获得目标散射势的A-线空间分布。在FD-OCT中的光谱信息识别可通过在谱域OCT(SD-OCT)的情况下使用检测臂中的色散分光计,或在扫描源OCT(SS-OCT)的情况下迅速调整扫描激光源来完成。
[0005]近来,人们对使用基于强度(亮度、灰度,intensity)和基于相敏感的OCT技术有大量兴趣,(它们)统称为OCT血管造影,以映射视网膜脉管系统,或确定组织中的流动区域(例如参见,通过引用方式并入本文的An等人,“Optical microang1graphyprovides correlat1n between microstructure and microvasculature of opticnerve head in human sub jects,,,J.B1med.0pt.17,116018 (2012) ;Zhao 等人,“Doppler standard deviat1n imaging for clinical monitoring of in vivohuman skin blood flow”,Optics Letters 25,1358-1360 (2000) ;Fingler 等人,“Mobility and transverse flow visualizat1n using phase variance contrastwith spectral domain optical coherence tomography”,Optics Express.Vol.15,N0.20.pp 12637-12653 (2007) ;Makita 等人,“Optical Coherence Ang1graphy”,OpticsExpress,14 (17),7821-7840 (2006) ;Mariampillai 等人,“Optimized speckle varianceOCT imaging of microvasculature”,Optics Letters 35,1257-1259 (2010);以及 Wang等人,“Frequency domain phase-resolved optical Doppler and Doppler variancetomography”,Optics Communicat1ns 242345-350 (2004))。OCT 血管造影提供非侵害性技术来可视化和间接地量化视网膜循环通路的完整性。在视网膜循环中的异常与眼部病理有直接关系,具体地在黄斑(macula)内,其中,受损的血液动力学不仅可与下降的视力有关,而且可以是用于眼部病理如视网膜静脉阻塞(RVO)、糖尿病视网膜病变(DR)和视网膜内微脉管系统异常(IRMA)的替代的生物标志物。具体地,视网膜脉管系统和血液流动之间的相关性是眼部缺陷中令人感兴趣的属性(特性,attribute)。DR和RVO是可导致脉管的结构和功能早期变化的病理,且进而可能是许多并发症如黄斑水肿、视网膜缺血和视神经病变的病因。对这些情况,脉管系统的量化和可视化,毛细血管和流动(流量,flow)可以是通用的诊断工具。例如,视网膜中的缺血区域可被映射以评估损害范围,且进一步处理疾病。除了脉管丰富的视网膜,在黄斑中有小区域,在中央凹处,其没有任何毛细血管。这就是所谓的中央凹无脉管区(FAZ),且该区域大小的异常变化也表明如缺血性黄斑病和DR的病理。随着时间的推移FAZ的量化和其大小的测量变化可以是临床上用于疾病存在和发展的显著数值评分,具体地用于DR。
[0006]可视化视网膜脉管系统的传统技术在本质上是侵害性的,且使用药理学技术来修改在成像视网膜中的对比度(contrast)。当代临床实践涉及注射荧光染料(如荧光素或吲哚菁绿(ICG))进入体循环(系统循环),且然后扫描眼睛以生成图像,其选择性地示出通过脉管网络染料的路径(FA,荧光素血管造影)。没有关于脉管系统深度结构的信息被该方法捕获。相反,通过检查OCT强度或相信号生成的脉管图像是无创的,且在捕获具有血液流量对比的现有脉管网络与其深度编码方面提供相当的保真度。
[0007]当代文献中已有一些详述FAZ检测的说明,但所有讨论的方法要么是手动的,由专家完成,要么是半自动的,要求手动选择起点或区域的下游方法的知情引导。一些相关出版物和其参考文献用来告知现存的现有技术(例如参见,通过引用方式并入本文的 Kim 等人,“Noninvasive Imaging of the Foveal Avascular Zonewith High-Speed, Phase-Variance Optical Coherence Tomography” InvestigativeOphthalmology&Visual Science,53(I),85-92 (2012) ;Zheng 等人,“Automatedsegmentat1n of foveal avascular zone in fundus fluorescein ang1graphy,,Retina.51 (7):3653-3659(2010) ;Yong 等人,“Novel Noninvasive Detect1n of theFovea Avascular Zone Using Confocal Red-Free Imaging in Diabetic Retinopathyand Retinal Vein Occlus1n” Retina.52:2649-2655 (2011);以及 Wang 等人,“ ImagingRetinal Capillaries Using Ultrahigh-ResoIut1n.0ptical Coherence Tomographyand Adaptive Optics” Invest.0phthalmol.Vis.Sc1.52.6292-6299 (2011))。
[0008]诊断上,脉管和通常无脉管视网膜两者的变化是显影视网膜病理的重要指标。虽然脉管结构的可视化有助于推进该成像技术的诊断效力,但它可进一步通过增加与来源于识别视网膜脉管和无脉管部分的一些突出的量化和度量的可视化来支撑(起杠杆作用)。所关注的主要量是全部的(整体的)或结构特定的视网膜血液流量动力学,其可因为相对于该技术的时间分辨率的低流速和相对于探测光束的毛细管的几乎垂直取向而对量化有挑战性。除可视化之外,从用来帮助区分健康和患病眼睛中的毛细管网络的血管造影数据衍生的数量词(quantifier)也是可取的。
[0009]近来,一些研究小组已探索用于血管造影数据的定量方法以构建脉管病理的有意义数字指标。如分形(fractal)维数分析的技术已被用于研究血管形态、分布和相关功能。Avakian等人展示人类视网膜的荧光素血管造影(FA)图像的分形特性的使用以在健康和患病视网膜之间进行区分(例如参见,Avakian等人,“Fractal analysis of reg1n-basedvascular change in the normal and i1n-proliferative diabetic retina,,’Curr.Eye Res.24,274-280,2002)。Schmoll等人应用相关分形维数算法来分析非侵害性地使用OCT血管造影图像的中心凹周围毛细管网的完整性(例如参见,Schmoll等人,“Imagingof the parafoveal capillary network and its integrity analysis using fractaldimens1n”B1med.0pt.Express 2,1159-1168,2011)。此外,Jia 等人和 An 等人应用更简单的血管密度测量来定量地评价使用OCT血管造影方法的人类视神经头内的毛细管网(例如参见,Jia 等人,“Quantitative OCT ang1graphy of optic nerve head bloodflow,nB1med.0pt.Express 3,3127-3137,2012 和 An 等人,“Optical micro ang1graphyprovides correlat1n between microstructure and micro vasculature of opticnerve head in human subjects,,’J.B1med.0pt.17,116018,2012)。
[0010]通过OCT血管造影捕获的一条重要解剖信息是深度信息,或视网膜组织中血管的空间分布。为可视化复杂的毛细管网,且为利用通过相较于传统血管造影方法如FA的OCT血管造影获得的额外深度信息,OCT血管造影数据通常显示为具有彩色编码深度信息的2D投影(参见Kim等人,“In vivo volumetric imaging of human retinal circulat1n withphase variance OCT, b1medical Optics Express, 2 (6),1504-1513 (2011))。这样的 2D投影至少允许区分不同深度的毛细管层。然而,他们缺乏3D感,且也没有提供容易理解的信息,其中较大的视网膜血管供排不同的毛细管网区。
[0011]视网膜血管连通性措施还被已知用于眼底摄影(眼底照相),然而,他们只集中于2D眼底图像的一些主要视网膜血管,而不是可视密集的、复杂的旁中心凹毛细管网的供应(例如参见,Al-Diri 等人,“Automated analysis of retinal vascular networkconnectivity,,,Computerized Medical Imaging and Graphics, 34,462-470 (2010))。Ganesan等人调查在共焦显微镜图像中从最大血管到最小毛细管的小鼠视网膜中血管的连通性,以便显影网络模型(例如参见,Ganesan等人,“Development of an Image-BasedNetwork Model of Retinal Vasculature,,,Annals of B1medical Engineering38(4)1566-1585(2010))。然而,他们并没有描述使用这样的方式来交互地可视化人体血管造影所得物。


【发明内容】

[0012]本文所描述的方法是生成视网膜脉管系统(或血流)图像的无创的计算技术,所述图像然后被用于任一提取有关视网膜微循环的各种诊断上相关的度量,和/或随后可被用于可视化有关视网膜组织结构的脉管和毛细管结构。脉管系统的解剖位置被定义为有明显运动对比度(mot1n contrast)的位置,其通常是由于血液的流动。有各种检测运动对比度的基于OCT的方法如Doppler 0CT、斑点或强度变化和相分辨方法。在大多数这些方法中,运动对比度是通过在大致相同的位置获取至少两个OCT测量(其中两个测量在时间上由预定间隔分隔开)以及通过应用算法以查找复杂OCT信号或其组合如强度或相中的变化所确定。这些测量的精度可通过最小化由于在轴向样品整体运动所致的运动相关错误(包括但不限于去除信号)来改善。
[0013]在本发明的优选实施方式中,提取的脉管结构被后处理以去除离群值(outlier)且使血管结构平滑。该衍生结构然后被深度编码且显示在已呈递的视网膜解剖(幅值图像)上。另外,特定深度范围内的后处理的脉管结构可沿轴向概括或整合以生成投影图,其示出脉管系统作为前位视图(en face view),没有任何深度信息。通过检查该图像的顺序或强度统计,没有任何脉管系统的区域(如FAZ)可自动划定,且其形状和大小可被量化。可替换地,先前获得的眼底图像,连同凹(中央凹)探测器,可配准(记录,register)到脉管系统的该合成前位图像,以协助在其周围有找到FAZ高机会的中心凹的检测。通过详述完全自动化(没有人工干预)方法来精确地确定缺乏视网膜区域的毛细管,通过优先对比血管区域视网膜图像强度含量统计性质的检查,所提出的发明偏离已知的现有技术。
[0014]除无脉管区之外,其他度量,如脉管系统密度、毛细管密度、血管几何形状、毛细管直径、毛细管间距离、由毛细管环为界的区域等,可通过标准的数学模型和工具来确定。这些度量可在中心凹附近或在关注的其他区域,如旁中心凹的或视乳头周的区域、乳头黄斑束或视神经头内被识别。该技术可进一步扩展到自动识别病理中视网膜缺血的区域,如分支视网膜静脉阻塞(BRVO)和中央视网膜静脉阻塞(CRVO)。此外,这些技术还可帮助识别视网膜内微脉管异常(IRMA)。IRMA通常是导致毛细管扩张区域和新毛细管床视网膜内形成的DR相关病症。通常,有关IRMA的新血管形成通过无灌注或缺血的区域发生在视网膜组织以充当分流(shunt)。上述所定义度量中的变化可用作监视是否出现了脉管系统的新生长或在无灌注或缺血区域中变化的准则。
[0015]在本发明的进一步实施方式中,提供了用于以有意义方式有效地可视化OCT血管造影所得物且定量地表征脉管系统网的新方法。检查员可选择OCT血管造影所得物内的血管且程序会示出下到毛细管网的所有连接血管。关于不同视网膜血管连通性的信息也可用于定量评价OCT血管造影所得物,且将其与规范(正常,normative)数据库进行比较。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1示出根据本发明涉及处理运动对比度(mot1n contrast)OCT数据的各种步骤的流程图。
[0017]图2示出可用于运动对比度数据的收集的一般化的眼科OCT成像系统。
[0018]图3示出由使用标准化向量差分方差(vector difference variance)的OCT数据生成的前位脉管系统图像。
[0019]图4示出说明三种不同血管丛(plexus)和其所包含的层的视网膜OCT图像。
[0020]图5a示出OCT血管造影数据的3D可视化和图5b示出对应的2D投影图像。
[0021]图6示出立体图像对如何由使3D可视化类型成为可能的运动对比度数据生成。
[0022]图7示出可用于识别中心凹无脉管区(FAZ)的前位脉管系统图像的强度直方图(灰度直方图)。
[0023]图8示出根据本发明的一方面的前位脉管系统图像的等照度线划分结果。
[0024]图9示出FAZ如何与图8中等照度线划分后图像数据的其他部分分离。
[0025]图10示出在围绕中心凹放射状分布区中的血管密度的图。

【具体实施方式】
[0026]用于脉管系统增强OCT数据处理的优选和替代实施方式示于图1的示意图中。该图示出三种可能方式来生成和使用来自OCT系统101中获取和重建的复杂OCT数据102的脉管系统数据。下文将每种可能组合提及为“方法”、A、B或C,取决于哪种方法路径已被采取来生成用于所讨论实施方式的输入数据。在每种方法中,复杂数据的不同部分(仅强度、仅相,或同时有强度和相)经历不同处理步骤(层分割、运动对比度、前位图像生成的整合/总和(加合))来生成不同脉管系统的相关信息。
[0027]OCT数据可用使用多种扫描模型的OCT系统的任何类型收集,例如,谱域OCT系统,或扫描源OCT系统,其使用不同波长如840nm或1060nm的激光源。一般化的OCT系统的示意图示于图2。来自源201的光被发送,其通常通过光纤205来照射样品210,典型样品为人眼中的组织。源201可要么是在SD-OCT情况下具有短时间相干性长度的宽带光源,要么是在SS-OCT情况下的波长可调激光源。光被扫描,通常用在光纤输出和样品之间的扫描器207,以便光束(虚线208)被横向扫描(在X和y中)越过待成像的区域或体积。从样品散射的光被收集,通常进入用于为样品照明发送光的相同光纤205。在涉及光纤203和具有可调节光延时的后向反射器204的情况下,来源于相同源201的参考光行进单独的路径。本领域技术人员认识到透射参考路径也可使用,且可调节延时可被置于干涉仪的样品或参考臂中。收集的样品光与参考光结合,通常在光纤耦合器202中,以在检测器220中形成光干扰。虽然单光纤端口示出转到检测器,本领域技术人员认识到干涉仪的各种设计可用于干扰信号的平衡或不平衡检测。从检测器的输出供给处理器221。结果可存储在处理器221中或显示在显示器222上。处理和存储功能可在OCT仪器内定位,或功能可在收集数据被传输的外处理单元完成。该单元可专用于数据处理或完成其他任务,其是相当普遍的且不专用于OCT装置。
[0028]在干涉仪中的样品和参考臂可由体形光学(bulk-optics)、光纤光学或混合体形光学系统构成,且可具有如本领域技术人员所知道的不同架构,如Michelson, Mach-Zehnder或基于公共路径的设计。如本文所用光束应理解为任何周密定向的光路径。在时域系统中,参考臂需具有可调光延时来生成干扰。平衡检测系统通常用在TD-OCT和SS-OCT系统中,而光谱仪用在用于SD-OCT系统的检测端口。本文所描述的发明可应用到能够为功能分析生成数据的任何类型的OCT系统。
[0029]干扰引起干涉光强度在整个谱中变化。干涉光的傅里叶变换揭示在不同路径长度下散射强度的轮廓(谱,profile),且因此揭示作为样品中深度(z方向)的函数的散射(例如参见,Leitgeb 等人,“Ultrahigh resolut1n Fourier domain optical coherencetomography, ” Optics Express 12 (10): 2156 (2004))。通常,傅里叶变换导致复杂数据,且该复杂数据的绝对值制成表以构造强度图像。复杂OCT信号也编码有关由局部样品运动所引起相移的信息,且可用来推断有关高灵敏度样品中主导散射器物理运动的数量。作为深度函数的散射轮廓称为轴向扫描(A-扫描)。在样品中邻近位置测量的一组A-扫描产生样品的横截面图像(断层图像或B-扫描)。在样品上不同横向位置收集的B扫描集合构成数据量(数据体)或多维数据集(数据立方体)。对于数据的特定量,术语快轴(fast axis)是指沿单个B扫描的扫描方向,而慢轴(slow axis)是指沿其收集多个B-扫描的轴。
[0030]理想情况下,当如在通过引用方式并入本文的美国专利
【发明者】玛丽·德宾, 乌特卡什·萨尔马, 西达尔塔·斯里瓦斯塔瓦, 蒂尔曼·施莫尔 申请人:卡尔蔡司医疗技术股份公司
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