体内光学流成像的制作方法

体内光学流成像的制作方法
【专利摘要】与多普勒和其它基于相位的方法相比，幅度去相关测量对横向流敏感且不受相位噪声的影响。然而，OCT的高轴向分辨率使得其对轴向上的脉动牵连运动噪声非常敏感，这导致不可接受的信噪比(SNR)。为了克服该限制，产生基于由流引起的OCT信号幅度的去相关的新颖的OCT血管造影技术。全部OCT谱可被分离成几个较窄的谱带，这导致每个谱带中的OCT分辨单元为各向同性的并且较不易受到轴向运动噪声的影响。内B型扫描去相关可分开地使用较窄谱带来确定且随后被求平均。重新组合来自谱带的去相关图像产生使用整个OCT谱范围中的全部信息的算法。当与其它幅度去相关技术相比较时，这种图像对流检测和微脉管网络的连接性两者显示出SNR的显著改进。此外，各向同性分辨单元的创建可用于量化对轴向和横向流具有同等敏感度的流。这种经改进的非侵入式成像可用在多种疾病的诊断和管理中。
【专利说明】体内光学流成像
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求于2012年2月3日提交的、题目为"体内光学流成像（InVivoOptical FlowImaging)"的61/594, 967号美国临时专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用整 体合并于此。

【技术领域】
[0003] 本公开大体涉及生物医学成像领域，且更具体地涉及与光学相干断层扫描和血管 造影相关联的方法、装置及系统。
[0004] 感谢政府的支持
[0005] 本发明根据国立卫生研究院授予的基金号R01-EY013516在政府的支持下做出。 政府对本技术具有一定权利。

【背景技术】
[0006] 由于生物组织的高散射和吸收性质，生物组织和脉管系统的体内三维映射为一个 挑战性的命题。某些当前方法具有缓慢的扫描速度，这使得体内三维成像变得困难。具有 较快扫描速度的某些其它技术仍旧是不足的，由于其无能力在不产生重叠图像的情况下深 入扫描生物组织，这需要使用侵入式过程来扫描感兴趣的组织。许多针对较深度成像的技 术一般不能提供对具有移动材料（例如，血流）的组织的深度成像。因此，有效地对诸如血 流的结构和/或组织运动进行成像的方法具有实质的临床重要性。
[0007] 光学相干断层扫描（OCT)为用于生物组织的高分辨率的、深度分辨截面的和三 维（3D)的成像的成像模式。在它的许多应用中，眼部成像尤其已发现了广泛的临床应用。 在过去十年中，由于光源和检测技术的发展，包括光谱（基于光谱仪的）〇CT和扫频光源 (swept-source)OCT的傅立叶域0CT，已经在敏感度和成像速度方面展现出比那些时域OCT 系统优越的性能。傅立叶域OCT的高速度已使得它更易于不仅仅对结构而且对血流成像。 该功能扩展首先由多普勒OCT展现，多普勒OCT通过估计相邻A字型扫描之间的相位差来 对血流成像。尽管多普勒OCT能够对较大血管中的血流进行成像和测量，但是难以将小血 管中的慢流与血管外组织中的生物运动区别开来。在视网膜血管的成像中，多普勒OCT面 临附加约束，所述附加约束为大多数血管近乎垂直于OCT光束，且因此，多普勒频移信号的 可检测性严重取决于光束入射角。因此，不取决于光束入射角的其它技术对视网膜和脉络 膜血管造影特别地具有吸引力。
[0008] 几个基于OCT的技术已成功发展为在体内对人眼中的微脉管网络成像。一个示例 为光学微血管造影（OMG)，其可在视网膜和脉络膜层两者中分辨出良好的脉管。OMG通过 使用经修改的希尔伯特变换将来自于静止的和移动的散射体的散射信号分开来工作。通过 沿着慢扫描轴应用OMG算法，可达到毛细管流的高敏感度成像。然而，OMG的高敏感度需 要通过分辨多普勒相移来精确移除牵连运动（bulk-motion)。因此，它易于受到来自于系统 的伪影或生物相不稳定性的影响。其它相关的方法，诸如相位方差和多普勒方差，已发展为 检测来自于微脉管流的小的相位变化。这些方法不需要非垂直的光束入射并且可检测横向 和轴向的流这二者。它们也曾在视网膜和脉络膜微脉管网络上是成功的。然而，这些基于 相位的方法也需要非常精确地移除由块状组织（bulktissue)的轴向移动引起的背景多普 勒相移。伪影也可由OCT系统中的相位噪声和横向组织运动引入，且这些也需要被移除。
[0009] 迄今为止，大多数前述方法一直基于光谱0CT，其提供高的相位稳定性来估计相移 或区分由血流导致的相衬。与光谱OCT相比，扫频光源OCT引入来自于周期间调谐和定时 可变性（cycle-to-cycletuningandtimingvariabilities)的另一个相位变化的源。 这使得基于相位的血管造影噪声较大。为了在扫频光源OCT上使用基于相位的血管造影方 法，需要减少系统相位噪声的更复杂的方法。另一方面，扫频光源OCT供应了几个相对于光 谱OCT的优势，诸如较长的成像范围、较少的依赖于深度的信号滚降（roll-off)、及较少的 由条纹冲蚀（fringewashout)所引起的运动诱导的信号损耗。因此，不取决于相位稳定性 的血管造影方法可以是完全利用扫频光源OCT的优势的最佳选择。由于这个原因，基于幅 度的OCT信号分析对于眼睛微脉管成像可为有利的。
[0010] 一个与微脉管成像中的OCT的应用相关联的难点来自于散斑在从体内或原位生 物样本所获得的OCT图像中的普遍存在。散斑是光波与随机路径长度相干求和的结果，且 它经常被认为是降低OCT图像质量的噪声源。已发展各种方法以减少空间域中的散斑，诸 如角复合、光谱复合、及应变复合。散斑将"椒盐状"噪声添加到OCT图像，并引发对可显著 降低对比度的干涉谱的随机调制。
[0011] 尽管是噪声源，但是散斑也携带信息。散斑图样由于随机相量的相干叠加而形成。 由于散斑，OCT信号在宏观上均匀的区域中变得随机。如果正在成像的样本是静态的，则散 斑图样为暂时静止的。然而，当光子由诸如流动血液中的红血细胞的移动粒子后向散射时， 所形成的散斑图样将快速地随着时间改变。散斑去相关长久以来一直被用于超声波成像和 激光散斑技术中以检测来自于诸如红血细胞的移动粒子的光学散射。该现象也清楚地由实 时OCT反射图像展示。血流的散射图样随着时间快速地变化。这由流动流体驱动随机分布 的血细胞通过成像体（体素）的事实造成，这导致了作为随时间的散射体位移的函数的所 接收的经后向散射的信号的去相关。血流和静态组织的去相关之间的对比度可用于提取流 信号用于血管造影。
[0012] 散斑现象已被用在散斑方差OCT中用于微脉管的可视化。在具有流动血液的区域 处的散斑图样具有大的时间变化，其可通过帧间散斑方差来量化。该称作"散斑方差"的技 术已被用于扫频光源0CT，其通过计算OCT信号强度的方差，展现了肿瘤中的毛细管检测上 的显著改进。散斑方差方法的关键优势在于，其没有遭受相位噪声伪影且不需要复杂的相 位校正方法。相关映射为另一个基于幅度的方法，其最近也已展现了在体内对动物大脑的 和人类皮肤的微循环的扫频光源OCT映射。这些基于幅度的血管造影方法很好地适合于扫 频光源OCT并向基于相位的方法供应有价值的替代选择。然而，这种方法仍旧遭受轴向尺 寸上的牵连运动噪声，在轴向尺寸上OCT分辨率非常高。因此，能够在流信号中减少牵连运 动噪声而没有显著牺牲的基于幅度的扫频血管造影方法将为最优的。例如，视网膜及脉络 膜流的成像可以随着这样的噪声减少被特别改进，因为在眼底，流信号主要是在横向而非 轴向尺寸上。


【发明内容】

[0013] 本文公开了用于基于幅度的OCT血管造影的方法、装置及系统，其利用OCT谱的分 离来降低OCT分辨率非常高的轴向尺寸上的主要的牵连运动噪声。例如，这种方法、装置及 系统可被称为"分离谱幅度去相关血管造影"（SSADA)。
[0014] 本文描述了基于由流引起的OCT信号幅度的去相关的新颖的OCT血管造影技术。 通过将全部OCT光谱干涉图分离成几个波数带，每个带中的OCT分辨单元形成为各向同性 的并且较不易受到轴向运动噪声的影响。重新组合来自波数带的去相关图像产生使用整 个OCT谱范围中的全部信息的血管造影片。由SSADA产生的各向同性分辨单元可用于量化 对轴向和横向流具有同等敏感度的流。与已有的基于幅度的扫频光源血管造影方法相比， SSADA可改进脉管连接性和流检测的信噪比（SNR)。将SSAD用于眼部循环床（例如，周围 及中央凹旁视网膜微循环网络）的非侵入式血管造影可有益于诊断和管理诸如青光眼、糖 尿病视网膜病变及老年性黄斑变性的重要致盲性疾病。SSADA也可用于眼睛外部，例如用于 调查大脑循环和肿瘤血管生成中。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 通过下面的详细描述连同附图，将容易地理解本发明的实施例。在附图的图中，通 过示例的方式而非限制的方式示出本发明的实施例。
[0016] 图1为关于脉管连接性和去相关信号/噪声（DSNR)将现有技术与本发明相比的 图表。
[0017] 图2示意性地示出了利用带通滤波器和本发明对OCT成像分辨单元进行修改以创 建各向同性分辨单元。
[0018] 图3示意性地示出了用于获取OCT谱的M-B扫描模式。
[0019] 图4为示出了用于创建使用分离谱技术和整个OCT谱范围中的全部信息的去相关 (流）图像的例示性方法的流程图。
[0020] 图5为示出了图4的例示性方法的附加例示性方法的流程图。
[0021] 图6示意性地示出了如本发明中所描述的被分离成不同频带的2D光谱干涉图。
[0022] 图7示意性地示出了用于创建使用分离谱技术和整个OCT谱范围中的全部信息的 去相关（流）图像的图4和图5的方法。
[0023] 图8为示出了用于消除具有过量运动噪声的去相关图像的例示性方法的流程图。
[0024] 图9示意性地示出了用于收集图像信息的体内成像系统。
[0025] 图10示出了根据本发明的各实施例的体内成像系统的实施例。
[0026] 图11示出了根据本发明的各实施例的用于体内成像的一件产品的实施例。
[0027] 图12示出了使用根据本发明的各实施例的成像方法的视神经乳头的体内3-D体 结构图像。
[0028] 图13示出了使用根据本发明的各实施例的方法的黄斑的体内3-D体结构图像。
[0029] 图14示出了使用根据现有技术方法的方法和根据本发明的各实施例的方法的黄 斑视网膜循环的体内图像。
[0030] 图15示出了使用根据现有技术方法的方法和根据本发明的各实施例的方法的描 绘脉管连接性和信噪比（SNR)的体内图像。

【具体实施方式】
[0031] 在下面的详细说明中，参考附图，附图形成本文的一部分且通过可在其中实践本 发明的示例实施例的方式示出。要理解，可利用其它的实施例，且可进行结构或逻辑的改 变，而不脱离本发明的范围。因此，下面的详细描述不以限制的方式取得，且根据本发明的 实施例的范围由附属的权利要求及其等同物来限定。
[0032] 可以可有助于理解本发明的实施例的方式将各操作描述成多个离散的操作；然 而，描述的顺序不应被解释成隐含这些操作是依赖于顺序的。
[0033] 本描述可使用诸如上/下、后/前、和顶部/底部的基于视角的描述。这种描述仅 仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用。
[0034] 本描述可使用词组"在一个实施例中"、或"在实施例中"，其每一个可涉及一个或 多个相同或不同的实施例。此外，如关于本发明的实施例所使用的，术语"包括"、"包含"、 "具有"等等为同义的。
[0035] 具有"A/B"形式的词组意味着"A或B"。具有"A和/或B"形式的词组意味着 " (A)、⑶或（A和B) "。具有"A、B和C中的至少一个"形式的词组意味着" (A)、（B)、（C)、 (A和B)、(A和C)、（B和C)或（A、B和C) "。具有" (A)B"形式的词组意味着"（B)或（AB) "， 即，A为可选的。在本发明的各实施例中，提供了用于生物医学成像的方法、装置及系统。在 本发明的例示性实施例中，计算系统可赋有所公开的产品和/或系统的一个或多个部件， 并且可被采用以实施如本文所公开的一个或多个方法。
[0036] 在各实施例中，样本的结构和/或流信息可使用光学相干断层扫描（OCT)(结构） 和基于光谱干涉的检测的OCT血管造影（结构和流）成像来获得。取决于应用，这种成像 可为二维（2-D)或三维（3-D)的。相对于现有技术的方法，结构成像可具有经扩展的深度 范围，且流成像可被实时地实施。如本文所公开的结构成像和流成像二者或之一可被征用 于产生2-D或3-D图像。
[0037] 除非另外注释或解释，本文所使用的所有技术和科学术语根据常规用法来使用， 并且其含义与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的含义相同。尽管下面描述了适 当的方法、系统和装置/材料，但是类似于或等价于本文所公开的那些的方法、系统和装置 /材料可被用于本公开的实践或检验中。
[0038] 本文所提及的所有出版物、专利申请、专利及其它参考文献整体通过引用合并于 此。如果发生冲突，本说明书，包括术语的解释，将进行控制。此外，方法、系统、装置、材料 及示例仅仅为示例性的，并不意欲为限制。
[0039] 为了促进对本公开的各实施例的审察，提供下面的特定术语的解释：
[0040]A型扫描：反射率轮廓（profile)，其包含与具有感兴趣的项目的结构的空间维度 和位置有关的信息（例如，轴向深度扫描）。
[0041] 自相关：信号与自身的互相关；作为观察值之间的时间间隔的函数的观察值之间 的相似性。例如，自相关可被用于发现重复图样，诸如已埋没在噪声下的周期信号的出现， 或者用于在由它的谐波频率所隐含的信号中识别出缺失的基频。
[0042] B型扫描：截面断层扫描，其可通过侧向（laterally)组合一系列轴向深度扫描 (例如，A型扫描）来获得。
[0043] 互相关：作为应用到两个波形之一的时滞的函数的两个波形的相似性的度量。
[0044] 去相关：用于减少信号内的自相关或一组信号内的互相关，同时保留信号的其它 方面的过程。例如，去相关可用于增强在图像的每个像素中所发现的差异。两个图像中的相 应像素之间的相关或相似性的缺乏的度量也可描述去相关。去相关过程的最终结果在于， 信号内的模糊信息可被增强以便显出（例如，呈现）可能有意义的细微差异。例如，可计算 去相关以发现图像之间的差异。
[0045] 图1中示出的是基于脉管连接性和去相关信号/噪声（DSNR)的现有技术的基于 幅度的OCT信号分析方法和本发明的对比图100。例如，全谱去相关方法100可出于比较目 的被用作基准值，然而，如先前所描述的，它对造成所产生的作为结果的图像中的显著噪声 的轴向牵连运动敏感。在像素平均方法112中，几个相邻像素中的信号被组合，这导致去相 关信噪比（DSNR)的改进。像素平均方法112的经改进的DSNR反过来导致较高质量的微循 环图像（与全谱去相关方法100相比），其可通过测量OCT血管造影片中所揭露的微脉管网 络的脉管来加以评估。如本文所描述的，分离谱去相关122的本发明进一步通过减少由轴 向牵连运动引起的噪声来改进DSNR(与由像素平均方法112所供应的改进相比）。这可通 过本文下面所描述的方法来实现（例如，降低有效分辨单元的轴向尺寸）。分离谱去相关方 法122的经改进的DSNR反过来导致更高质量的微循环图像（与全谱去相关方法100和像 素平均方法112相比），其可通过测量OCT血管造影片中所揭露的微脉管网络的脉管来加以 评估。这种改进，可允许对诊断和管理眼睛中的疾病以及调查和分析循环、血管生成和其它 血流成像分析有用的图像和信息。此外，分离谱去相关122可用于获得血管造影图像，该血 管造影图像可用于替换荧光素和吲哚菁绿血管造影，具有本质上为三维而非二维的附加优 势。附加的用途可包括但不限于，对其它生物组织中的血流成像和对任何系统、活体或非活 体中的流成像。
[0046] 更详细地，现有技术的全谱去相关102仅仅通过处理幅度信号达到去相关并且不 需要相位信息。为了估计来自于散射组织的流信息，通过对根据来自于M-B模式扫描的N 个反射幅度图像帧所计算的N-I个去相关图像帧求平均获得每个位置处的平均去相关图 像.i(A-.z)。每个去相关巾贞根据两个相邻幅度巾贞:An(x，z)和An+1(x，z)来计算。使用全谱去相 关方法102,去相关图像由下面的方程给出：
[0047] (1)

【权利要求】
1. 一种成像的方法，包括： 对流动样本进行扫描以获得OCT谱的M-B扫描； 将OCT谱的所述M-B扫描分离成M个谱带； 根据所述M个谱带确定流图像。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中将OCT谱的所述M-B扫描分离成M个谱带包括： 创建覆盖所述OCT谱的重叠滤波器；以及 利用所述重叠滤波器对所述OCT谱进行滤波。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中根据所述M个谱带确定流图像包括： 创建用于所述M个谱带的去相关图像；以及 组合用于所述M个谱带的所述去相关图像以创建流图像。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中创建用于M个谱带的去相关图像包括： 确定用于每个谱带的幅度信息；以及 计算用于每个谱带的相邻幅度帧之间的去相关。
5. 根据权利要求4所述的方法，进一步包括移除背景噪声。
6. 根据权利要求3所述的方法，其中组合用于所述M个谱带的所述去相关图像以创建 流图像包括： 对用于每个谱带的所述去相关图像求平均以创建用于每个谱带的平均去相关图像；以 及 对来自于所述M个谱带的经平均去相关图像求平均。
7. 根据权利要求6所述的方法，进一步包括消除具有过量运动噪声的用于每个谱带的 去相关图像。
8. -种修改来自OCT谱的OCT成像分辨单元以创建各向同性分辨单元的方法，包括：创建覆盖所述OCT谱的重叠滤波器；以及 利用所述重叠滤波器对所述OCT谱进行滤波。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中创建重叠滤波器包括创建包括至少一种规格的滤 波器组。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一种规格包括一个或多个因素，所述一 个或多个因素包括滤波器类型、滤波器的带宽、不同带之间的重叠和带的数目中的至少一 个。
11. 一种用于体内成像的系统，包括： 光学相干断层扫描装置；以及 一个或多个处理器，其耦连到所述装置并适于使所述装置： 从流动样本获得OCT谱的M-B扫描； 将OCT谱的所述M-B扫描分离成M个谱带；以及 根据所述M个谱带确定流图像。
12. 根据权利要求11所述的系统，其中所述一个或多个处理器适于使所述装置将OCT 谱的所述M-B扫描分离成M个谱带进一步包括适于使所述装置： 创建覆盖所述OCT谱的重叠滤波器；以及 利用所述重叠滤波器对所述OCT谱进行滤波。
13. 根据权利要求11所述的系统，其中所述一个或多个处理器适于使所述装置根据所 述M个谱带确定流图像进一步包括适于使所述装置： 创建用于所述M个谱带的去相关图像；以及 组合用于所述M个谱带的所述去相关图像以创建流图像。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个处理器适于使所述装置创建用 于M个谱带的去相关图像进一步包括适于使所述装置： 确定用于每个谱带的幅度信息；以及 计算用于每个谱带的相邻幅度帧之间的去相关。
15. 根据权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个处理器适于使所述装置组合用 于所述M个谱带的所述去相关图像以创建流图像进一步包括适于使所述装置： 对用于每个谱带的所述去相关图像求平均以创建用于每个谱带的平均去相关图像；以 及 对来自于所述M个谱带的经平均去相关图像求平均。
【文档编号】A61B5/02GK104411233SQ201380017190
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年2月1日 优先权日:2012年2月3日
【发明者】贾雅莉, 黄大卫, 贾森·托考耶, 谭鸥 申请人:俄勒冈健康科学大学