应用于心血管的三维OCT扫描成像系统及其成像方法与流程

本发明涉及心血管内窥成像
技术领域：
，尤其涉及一种应用于心血管的三维OCT扫描成像系统及其成像方法。
背景技术：
：光学相干断层扫描(opticalcoherencetomography,OCT)技术，是近十年迅速发展起来的一种成像技术，它利用弱相干光干涉仪的基本原理，将光源发出的光线分成两束，一束发射到被测组织，也叫样品臂，另一束发射到参照反光镜，也叫参考臂，然后把从被测组织和从参照反光镜反射回来的两束光信号叠加、干涉，最后根据光信号随被测组织的不同而显示出不同强弱的图像灰度，从而对组织内进行成像。OCT根据技术原理可分为时域OCT和频域OCT两大类。频域OCT由于其具有高分辨率、成像速度快、无创地组织内成像等优势，已被广泛应用于眼科、消化道、心血管等器官的成像。相比而言，心血管OCT系统最为复杂，一套完整的心血管OCT设备需要整合：光源，分光器、光学干涉仪、参考臂、探头接口单元(probeinterfaceunit,PIU)、导管、血液冲洗液注射装置、光纤探头、高速数据采集器、信号处理器、图像处理软件等资源。心血管OCT扫描成像的基本原理是：通过PIU高速旋转和回拉运动，并通过弹簧管带动前端的光纤探头在血管内做断层扫描成像的。3D心血管OCT较2DOCT有着巨大的潜在优势，3D心血管OCT可以直观的为医生提供血管的空间三维结构信息，可以帮助医生更好的理解血栓的空间形态、支架贴壁的情况、评估分叉病变、指导支架后扩、指导血栓切除等。但是，3D心血管OCT绝对不是简单地将2DOCT序列图像堆叠到一起渲染成3D画面，因为这样重构会存在误差，严重的还会误导医生的理解。在实际工作中，由于弹簧管与导管间的摩擦力在高速旋转时会发生抖动，导致实际采集到的三维OCT图像会在轴向形成旋转错位，这样如果直接对序列图像进行三维重构，在三维空间中是存在错位的，因此，这样的结果对临床分析来说是不准确的，严重的会导致错误的诊断结果。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明提出一种应用于心血管的三维OCT扫描成像系统及其成像方法，能够提高所述三维OCT扫描成像系统得到的三维的OCT图像的精确度。本发明提出的具体技术方案为：提供一种应用于心血管的三维OCT扫描成像系统，所述应用于心血管的三维OCT扫描成像系统包括依次连接的探测单元、探头接口单元、光信号处理单元、数字信号处理单元及显示器；所述探测单元包括光纤探头，所述光纤探头用于根据所述探头接口单元的动作采集血管的样品信号，并将所述样品信号通过所述探头接口单元发送给所述光信号处理单元；所述光信号处理单元用于对所述样品信号进行处理得到图像帧；所述数字信号处理单元包括数据转换器和数据校正器；所述数据校正器用于分别对所述数据转换器转换后的图像帧进行数据校正和三维重构得到三维图像，并输出至所述显示器进行显示。进一步地，所述数据校正器包括标记点检测单元、图像校正单元及三维重构单元；所述标记点检测单元用于获得所述数据转换器转换后的图像帧的位置标记点，所述图像校正单元用于根据所述位置标记点对所述数据转换器转换后的图像帧进行旋转变换得到校准后的图像帧，所述三维重构单元用于对所述校准后的图像帧进行三维重构得到三维图像。进一步地，所述数字信号处理单元还包括反馈控制器，所述反馈控制器用于根据所述数据转换器转换后的图像帧的亮度信息和梯度信息控制所述探头接口单元的运动状态；所述反馈控制器包括回拉起始模块；所述回拉起始模块用于检测血管管腔是否冲洗干净、并在所述血管管腔冲洗干净时控制所述探头接口单元启动回拉运动。进一步地，所述回拉起始模块包括计算单元、判断单元和回拉开始响应单元，所述计算单元用于计算所述数据转换器转换后的图像帧在预定的冲洗检测区域中的亮度的均值及方差；所述判断单元用于判断所述均值与所述方差是否满足触发条件，并在满足触发条件时发送回拉开始触发信号；所述回拉开始响应单元用于根据所述回拉开始触发信号控制所述探头接口单元启动回拉运动。进一步地，所述反馈控制器包括回拉停止模块，所述回拉停止模块用于检测所述光纤探头是否运动到预定位置、并在所述光纤探头运动到所述预定位置时控制所述探头接口单元停止回拉运动。本发明还提供了一种应用于心血管的三维OCT扫描成像方法，所述方法包括以下步骤：光纤探头根据探头接口单元的动作采集血管的样品信号、并将所述样品信号通过所述探头接口单元发送给光信号处理单元；光信号处理单元对所述样品信号进行处理得到图像帧并将所述图像帧发送给数字信号处理单元；数字信号处理单元对所述图像帧分别进行数据校正和三维重构得到三维图像；显示器接收并显示所述三维图像。进一步地，所述数字信号处理单元对所述图像帧分别进行数据校正和三维重构得到三维图像步骤具体包括：计算所述图像帧在预设半径区域内的灰度值，将满足灰度阈值且灰度值最大的点作为所述图像帧的位置标记点；根据所述位置标记点对所述图像帧进行旋转变换得到校正后的图像帧；对所述校正后的图像帧进行三维重构得到三维图像。进一步地，根据所述位置标记点对所述图像帧进行旋转变换所采用的旋转变换公式为：[xy1]=[x0y01]cosθ-sinθ0sinθcosθ0001]]>其中，(x0，y0)为所述图像帧的像素点的坐标，(x，y)为所述校正后的图像帧的像素点的坐标，θ表示旋转角度。进一步地，所述数字信号处理单元对所述图像帧分别进行数据校正和三维重构得到三维图像步骤还包括所述数字信号处理单元根据所述图像帧的亮度信息和梯度信息控制所述探头接口单元的运动状态；所述数字信号处理单元中预设有第一阈值及第二阈值，所述数字信号处理单元根据所述图像帧的亮度信息和梯度信息控制所述探头接口单元的运动状态步骤具体包括：计算所述图像帧在预定的冲洗检测区域中的亮度的均值及方差；判断所述均值是否小于所述第一阈值及所述方差是否小于所述第二阈值，若所述均值小于所述第一阈值且所述方差小于所述第二阈值，则控制所述探头接口单元启动回拉运动。进一步地，所述数字信号处理单元中预设有第三阈值、第四阈值及第五阈值，若所述均值不小于所述第一阈值或所述方差不小于所述第二阈值，则所述数字信号处理单元根据所述图像帧的亮度信息和梯度信息控制所述探头接口单元的运动状态步骤还包括：将所述图像帧转换为极坐标系下的图像帧；计算所述极坐标系下的图像帧沿径向的每一列图像的最大亮度值及最大梯度值；计算所有的最大亮度值的均值和所有的最大梯度值的均值及方差；判断所述最大亮度值的均值是否大于所述第三阈值、所述最大梯度值的均值是否大于所述第四阈值及所述最大梯度值的方差是否小于所述第五阈值，若所述最大亮度值的均值大于所述第三阈值、所述最大梯度值的均值大于所述第四阈值且所述最大梯度值的方差小于所述第五阈值，则控制所述探头接口单元停止回拉运动。本发明提出的应用于心血管的三维OCT扫描成像系统及其成像方法具有以下优点：(1)所述应用于心血管的三维OCT扫描成像系统包括数据校正器，数据校正器能够分别对数据转换器转换后的图像帧进行数据校正和三维重构得到三维图像；(2)所述应用于心血管的三维OCT扫描成像系统包括反馈控制器，其能够控制所述探头接口单元的运动状态；所述反馈控制器包括回拉起始模块，回拉起始模块能够检测血管管腔是否冲洗干净并在血管管腔冲洗干净的情况下控制所述探头接口单元启动回拉运动；(3)所述反馈控制器还包括回拉停止模块，所述回拉停止模块能够检测所述光纤探头是否运动到所述透明外套管的位置并在所述光纤探头运动到所述透明外套管的位置时控制所述探头接口单元停止回拉运动。附图说明通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：图1为应用于心血管的三维OCT扫描成像系统的结构示意图；图2为图1中反馈控制器的结构示意图；图3为图2中回拉起始模块的结构示意图；图4为冲洗检测区域的示意图；图5为图2中回拉停止模块的结构示意图；图6为坐标变换示意图；图7为图1中数据校正器的结构示意图；图8为根据位置标记点进行校正的过程示意图；图9为本实施例中的三维重构界面示意图；图10为应用于心血管的三维OCT扫描成像方法流程示意图。具体实施方式以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。参照图1，本实施例提供的应用于心血管的三维OCT扫描成像系统，用于获得三维的OCT图像，其中，三维的OCT图像由多个图像帧构成。三维OCT扫描成像系统包括依次连接的探测单元1、探头接口单元2、光信号处理单元3、数字信号处理单元4及显示器5。探测单元1包括光纤探头11，光纤探头11用于根据探头接口单元2的动作采集血管的样品信号并将样品信号通过探头接口单元2发送给光信号处理单元3，这里探头接口单元2的动作包括旋转和回拉，血管的样品信号包括血管壁及血管内的信号。光信号处理单元3用于对样品信号进行处理得到图像帧。具体的，数字信号处理单元4包括反馈控制器41、数据校正器42和数据转换器44，反馈控制器41用于根据数据转换器44转换后的图像帧的亮度值和梯度值控制探头接口单元2的运动状态，这里探头接口单元2的运动状态包括启动回拉运动和停止回拉运动两个状态，数据校正器42用于分别对数据转换器44转换后的图像帧进行数据校正和三维重构得到三维图像，显示器5用于对三维图像进行显示。三维的OCT图像由多个图像帧插值映射构成，显示器显示映射后的三维的OCT图像。探测单元1还包括导管12、光纤13、透明外套管14及弹簧管15，光纤13、弹簧管15及光纤探头11位于导管12内。导管12与探头接口单元2连接，导管12包括体内部及体外部，体内部用于插入体内的血管中。体外部上设置有冲洗液注入口12a，体内部远离体外部的一端还设置有冲洗液出口12b，冲洗液注射装置将冲洗液从冲洗液注入口12a注入到导管12中并从冲洗液出口12b中排出。光纤探头11位于体内部远离体外部的一端，其通过光纤13与探头接口单元2连接，弹簧管15套设于光纤13上，透明外套管14外套于体内部上且位于光纤探头11与体外部之间。探头接口单元2包括电机(图未示)，电机与弹簧管15连接，电机用于驱动弹簧管15旋转并回拉弹簧管15，弹簧管15发生弹性形变紧紧套设于光纤13上并通过与光纤13之间的摩擦力带动光纤13和光纤探头11一起旋转并回拉光纤13和光纤探头11，从而使光纤探头11在导管12内螺旋运动，形成螺旋三维扫描。光信号处理单元3包括光源31、分光器32、检测器33、干涉仪34及反光镜35。光源31发出的光束经分光器32作用后分为两束完全一样的光，一束光通过干涉仪34发射到反光镜35，称为参考臂，一束通过干涉仪34发送给探头接口单元2，探头接口单元2再将该光束通过光纤13传输至光纤探头11并发射至血管内部进行探测，称为样品臂。参考臂中的光经反光镜35反射后形成的参考光入射到干涉仪34，样品臂中的光经血管内壁反射和散射后形成的样品信号被光纤探头11接收并回传至干涉仪34。干涉仪34对参考信号和样品信号进行叠加产生光学干涉得到干涉后的光信号，其中，不同的组织形状形成不同强弱的干涉后的光信号，光信号的强弱可反映血管内的结构特点。检测器33用于检测干涉后的光信号并将其转换为相应的电信号。数字信号处理单元4还包括数据采集器43。数据采集器43与检测器33连接，其用于接收所述电信号并将所述电信号转换为图像帧对应的数字信号，数据转换器44用于接收所述数字信号并将所述数字信号从极坐标空间转换为笛卡尔坐标空间。其中，本实施例中的数据转换器44可以以多种不同形式的实现，包括但不限于处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、可编程门阵列(FPGA)、微处理器(如ARM)、数字信号处理器(DSP)等器件或它们的任意组合。在OCT成像时，一般需要对血管内血液进行冲洗，否则血液对光有较强的吸收和散射作用，影响成像质量。在触发心血管OCT扫描前，临床医生注射血液冲洗液，并观察OCT成像预览画面，确认血液冲洗干净时，手动触发PIU回拉指令进行三维成像。然而，人工触发PIU回拉给临床实际操作带来很大不便，回拉触发过早往往血管内血液没有冲洗干净，造成成像质量变差，无法满足临床诊断需求；相反，回拉触发过晚，就会给病人注射过多的血液冲洗液，给病人带来不必要的副作用。此外，目前已有的心血管OCT往往是通过设置一个固定的回拉距离，即回拉一定距离后PIU触发停止回拉。然而，当光纤探头回撤进入透明外套管内时，其采集到的数据是无效的，在透明外套管内的数据，不仅给数据后处理、数据存储带来了不必要的资源浪费，在三维渲染后，也会给医生诊断造成误判。参照图2，本实施例中的反馈控制器41包括回拉起始模块410和回拉停止模块411。回拉起始模块410用于检测血管管腔是否冲洗干净、并在血管管腔冲洗干净时控制探头接口单元2启动回拉运动，探头接口单元2启动回拉运动后，电机开始回拉并驱动弹簧管回拉光纤13和光纤探头11，光纤探头11在导管12内开始螺旋运动并开始三维螺旋扫描。回拉停止模块411用于检测光纤探头11是否运动到透明外套管14的位置、并在光纤探头11运动到透明外套管14的位置时控制探头接口单元2停止回拉运动，探头接口单元2停止回拉运动后，电机停止旋转并停止驱动弹簧管15，此时，光纤探头11停止扫描。具体的，参照图3、图4，回拉起始模块410包括第一计算单元100、第一判断单元101及回拉开始响应单元102，为了便于区分，这里将回拉起始模块中的计算单元命名为第一计算单元100，将回拉起始模块中的判断单元命名为第一判断单元101。第一计算单元100用于计算在预定的冲洗检测区域中的笛卡尔坐标空间中的数字信号的亮度I1的均值及方差，第一判断单元101中预设有第一阈值th1及第二阈值th2，第一判断单元101用于判断所述均值是否小于第一阈值th1及所述方差是否小于第二阈值th2并在所述均值小于第一阈值th1且所述方差小于第二阈值th2时发送回拉开始触发信号给回拉开始响应单元102，回拉开始响应单元102用于根据回拉开始触发信号控制探头接口单元2启动回拉运动，即所述均值及所述方差满足下面触发条件：mean(I1)＜th1std(I1)＜th2。本实施例中将预定的冲洗检测区域的宽度设定为导管直径的2倍(如图4所示)，当然，预定的冲洗检测区域可以根据实际情况来确定，这里不做限定。若血管管腔冲洗干净，则环形的检测区域的亮度的均值和方差应较小，因此，当所述均值及所述方差满足上面两个条件时，第一判断单元101产生一个回拉开始触发信号并将所述回拉开始触发信号发送给回拉开始响应单元102，回拉开始响应单元102控制探头接口单元2中的电机开始高速旋转并带动弹簧管15转动，弹簧管15发生弹性形变并通过与光纤13之间的摩擦力带动光纤13和光纤探头11旋转并回拉光纤13和光纤探头11，从而使光纤探头11在导管12内螺旋运动，形成螺旋三维扫描，最终获得血管内的三维螺旋扫描图像。参照图5、图6，回拉停止模块411包括第二计算单元103、第二判断单元104及回拉停止响应单元105。第二计算单元103用于将图6中的笛卡尔坐标空间中的数字信号转换为极坐标空间(ρ，θ)中的数字信号，其中，ρ为极径，θ为极角。第二计算单元103还用于计算极坐标空间中的数字信号沿径向的每一列上的最大亮度值Id及最大梯度值G并计算所有的最大亮度值Id的均值和所有的最大梯度值G的均值及方差。第二判断单元104中预设有第三阈值th3、第四阈值th4及第五阈值th5，第二判断单元104用于判断最大亮度值Id的均值是否大于第三阈值th3、最大梯度值G的均值是否大于第四阈值th4及最大梯度值的方差是否小于第五阈值th5并在最大亮度值Id的均值大于第三阈值th3、最大梯度值G的均值大于第四阈值th4且最大梯度值G的方差小于第五阈值th5时发送回拉停止触发信号给回拉停止响应单元105，回拉停止响应单元105控制探头接口单元2中的电机停止回拉光纤探头11，即最大亮度值Id的均值、最大梯度值G的均值及最大梯度值G的方差满足下面三个条件：mean(Id)＞th3mean(G)＞th4。std(G)＜th5其中，通过使用对垂直边缘敏感的Prewitt边缘滤波器对极坐标空间中的数字信号进行处理，得到梯度图像，然后检测沿径向的每一列上的最大梯度值G，再计算所有的最大梯度值G的梯度均值和方差。当最大亮度值Id的均值、最大梯度值G的均值及最大梯度值G的方差同时满足上面三个式子时，则说明该图像帧内包含有透明外套管14，即光纤探头11运动到了预定的位置。参照图7、图8，为了提高了三维的OCT图像的精确度，本实施例中的数据校正器42包括标记点检测单元420、图像校正单元421及三维重构单元422。标记点检测单元420用于获得笛卡尔坐标空间中的数字信号的位置标记点，其具体通过检测在预设半径区域中的笛卡尔坐标空间中的数字信号的灰度值，如果有多个点满足灰度阈值，则取最大灰度值所对应的位置点作为笛卡尔坐标空间中的数字信号的标记点。图像校正单元421用于根据位置标记点对笛卡尔坐标空间中的数字信号的进行校准得到校准后的图像帧，其具体通过旋转变换矩阵对笛卡尔坐标空间中的数字信号进行校准，本实施例所采用的旋转变换是基于图像中心进行旋转的，旋转变换的矩阵为：H=cosθ-sinθ0sinθcosθ0001]]>旋转变换公式如下：[xy1]=[x0y01]cosθ-sinθ0sinθcosθ0001]]>式中，(x0，y0)为原始坐标系的坐标，(x，y)为旋转后的图像帧中像素点的坐标，θ表示旋转角度，顺时针旋转为正，逆时针旋转为负。如图8所示，通过校准后，序列中所有图像帧的标记点在纵向基于相同的方向。三维重构单元422用于对校准后的图像帧进行三维重构得到三维图像，其具体将校准后的图像帧通过三维重构算法，即根据颜色映射与不透明度映射函数，将校准后的图像帧通过体绘制方法映射到投影图像平面。参照图9，图9示出了根据本实施例所示的三维重构界面。其包含了心血管的3D显示窗口、纵向截面显示窗口、横向截面显示窗口以及控制面板。通过本实施例，可以看到对心血管数据校准后，其三维结构可以准确反映出血管、以及血管内各组件(如导管、导丝)的真实位置。参照图10，本实施例还提供了一种OCT扫描成像方法，用于获得三维的OCT图像，三维的OCT图像由多个图像帧构成，所述方法包括以下步骤：步骤S1、光纤探头11根据探头接口单元2的动作采集血管的样品信号、并将样品信号通过探头接口单元2发送给光信号处理单元3。其中，步骤S1具体包括首先在导丝和X光造影的引导下，通过经皮冠状动脉介入术将光纤探头11置入待扫描位置，然后通过冲洗液注射装置在冲洗液注入口12a中注入冲洗液对血管管腔内的血液进行冲洗，同时，光纤探头11采集样品信号并通过探头接口单元2将样品信号发送给光信号处理单元3。步骤S2、光信号处理单元3对样品信号进行处理得到图像帧并将图像帧发送给数字信号处理单元4。步骤S3、数字信号处理单元4对图像帧分别进行数据校正和三维重构得到三维图像。步骤S4、显示器5接收并显示三维图像。具体的，步骤S3中数字信号处理单元4对图像帧分别进行数据校正和三维重构得到三维图像包括以下步骤：计算所述图像帧在预设半径区域内的灰度值，将满足灰度阈值且灰度值最大的点作为所述图像帧的位置标记点；根据所述位置标记点对所述图像帧进行旋转变换得到校正后的图像帧；对所述校正后的图像帧进行三维重构得到三维图像。具体的，步骤S3还包括数字信号处理单元4根据图像帧的亮度信息和梯度信息控制探头接口单元2的运动状态；其中，数字信号处理单元4中预设有第一阈值及第二阈值，数字信号处理单元4根据图像帧的亮度信息和梯度信息控制探头接口单元2的运动状态包括以下步骤：计算所述图像帧在预定的冲洗检测区域中的亮度I1的均值及方差；判断所述均值是否小于第一阈值th1及所述方差是否小于第二阈值th2，若所述均值小于第一阈值th1且所述方差小于第二阈值th2，则控制探头接口单元2启动回拉运动。若所述均值不小于第一阈值th1或所述方差不小于第二阈值th2，则步骤S3还包括：将所述图像帧转换为极坐标系下的图像帧；计算所述极坐标系下的图像帧沿径向的每一列图像的最大亮度值Id及最大梯度值G；计算所有的最大亮度值Id的均值和所有的最大梯度值G的均值及方差；判断最大亮度值Id的均值是否大于第三阈值th3、最大梯度值G的均值是否大于第四阈值th4及最大梯度值G的方差是否小于第五阈值th5，若最大亮度值Id的均值大于第三阈值th3、最大梯度值G的均值大于第四阈值th4且最大梯度值G的方差小于第五阈值th5，则控制探头接口单元2停止回拉运动。本实施例提出的应用于心血管的三维OCT扫描成像系统及其成像方法具有以下优点：(1)应用于心血管的三维OCT扫描成像系统包括数据校正器42，数据校正器42能够对数据转换器44转换后的图像帧分别进行数据校正和三维重构得到三维图像，提高了三维的OCT图像的精确度；(2)应用于心血管的三维OCT扫描成像系统包括反馈控制器41，其能够控制探头接口单元2的运动状态；反馈控制器41包括回拉起始模块410，回拉起始模块410能够检测血管管腔是否冲洗干净并在血管管腔冲洗干净的情况下控制探头接口单元2启动回拉运动；(3)反馈控制器41还包括回拉停止模块411，回拉停止模块411能够检测光纤探头11是否运动到透明外套管14的位置并在光纤探头11运动到透明外套管14的位置时控制探头接口单元2停止回拉运动。虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。当前第1页1 2 3