一种血管内偏振敏感光学相干层析成像介质消偏测量方法

本发明涉及一种导管光学相干层析成像方法。特别是涉及一种血管内偏振敏感光学相干层析成像介质消偏测量方法。

背景技术：

1、导管oct技术是一种高分辨率的截面层析成像技术，应用偏振成像技术的导管ps-oct则能以高分辨率的成像对深层偏振信息进行提取与记录，分辨不同的生物组织。该技术由此能够解决血管内病变斑块的鉴定能够解决动脉粥样硬化斑块的稳定性难以在体、实时、快速判断的医学难题。尽管在定性问题上，现有的oct系统已经达到了可能判断组织斑块性质的水平；然而在定量问题上，例如图像清晰度、成像深度、组织类型的判断准确性等方面仍存不足，因此采用并改良ps-oct技术是oct系统发展的关键方向。

2、在以光散射强度为成像机理的导管oct中，一些具有相似散射性质组织无法被分辨，而当我们引入ps-oct技术后，这些组织便会因偏振性质差异显现出来而被区分开来，例如相关研究表明表现出双折射效应差异的纤维结构中间质胶原或层状动脉平滑肌细胞；引起消偏特性差异的组织脂肪含量。因此开发可检测偏振特性的导管polarizationsensitive oct(ps-oct)系统会进一步提高动脉粥样性斑块性质和结构诊断准确率，正确指导血运重建。天津大学丁振扬等人提出了采用穆勒矩阵非相干平均方法(cn202111079438.x)，该方法可有效解调出生物组织的消偏信息，但该方法缺少对噪声消偏的区分，对噪声导致消偏增大所引起的ps-oct消偏图像模糊，非组织性斑块遮挡实际斑块图像等问题难以有效解决。针对噪声干扰s.makita等人提出一种应用双通道互补偿实现噪声矫正功能的dopu计算方法用以更准确地表征消偏。尽管这种方法实现了高噪声抗性,然而该研究并未系统地对这一方法的准确性进行评估[1].另外该方法对ps-oct系统的输入偏振态有着较高的依赖性[2]。n.lippok等人通过双偏振态ps-oct系统和穆勒矩阵结合的方法提出了一种消偏计算方法具有更低的偏振态依赖性，并且在生物组织成像实验上验证了这一方法[3,4]。该研究展示了空间平均算子对消偏的解调影响，但忽视了噪声分析。yamanari等人利用双偏振态系统，结合准最大似然估计方法于熵的计算中用以摆脱噪声对消偏的影响[5]。然而这一方法的准确性高度依赖a-scan的数量，且需要搭建复杂程度较高的硬件系统[2]。

3、相关文献

4、[1]s.makita,y.-j.hong,m.miura,et al.,“degree of polarizationuniformity with high noise immunity using polarization-sensitive opticalcoherence tomography,”opt.lett.39(24),6783-6786(2014).

5、[2]m.yamanari,m.mase,r.obata,et al.,“melanin concentration anddepolarization metrics measurement by polarization-sensitive opticalcoherence tomography,”sci.rep.10(1),19513(2020).

6、[3]n.lippok,m.villiger,and b.e.bouma,“degree of polarization(uniformity)and depolarization index:unambiguous depolarization contrast foroptical coherence tomography,”opt.lett.40(17),3954-3957(2015).

7、[4]n.lippok,b.braaf,m.villiger,et al.,“quantitative depolarizationmeasurements for fiber-based polarization-sensitive optical frequency domainimaging of the retinal pigment epithelium,”j.biophotonics 12(1),e201800156(2019).

8、[5]m.yamanari,s.tsuda,t.kokubun,et al.,“estimation of jones matrix,birefringence and entropy using cloude-pottier decomposition in polarization-sensitive optical coherence tomography,”biomed.opt.express 7(9),3551-3573(2016).

9、[6]z.ding,c.-p.liang,and y.chen,“technology developments andbiomedical applications of polarization-sensitive optical coherencetomography,”front.optoelectron.8(2),128-140(2015).

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种对血管内导管偏振敏感相干层析成像精准介质消偏测量方法。本发明所采用的技术方案是：

2、一种血管内偏振敏感光学相干层析成像介质消偏测量方法，用于导管偏振敏感光学相干层析成像系统，包括如下步骤：

3、第一步，设定导管偏振敏感光学相干层析成像系统的输入光的偏振态为ein，参考光表示为eref；将系统中的输入光和参考光在h和v通道上的参考光设定为等光强；

4、第二步，对在偏振分集处测量到的电信号以琼斯矩阵形式进行采集，并进行色散补偿、插值傅里叶变换生成空域图像，再进行图像分割；以像素点(i,j)为中心，构建长宽像素分别为2p和2q的平均窗，将窗内各点的琼斯矩阵和选定的参考面位置处的琼斯矩阵分别通过矩阵变换和矩阵平均算法转换为平均穆勒矩阵，得到平均测量穆勒矩阵mij，其中mij(u,v)u,v∈{1,2,3,4}为平均测量穆勒矩阵mij的元素，由窗内测量穆勒矩阵相应位置的元素经平均运算得出：

5、

6、第三步，选取扫描数据中导管外壁的图像区域作为参考区域，记区域内像素量为nror，标记参考区域内每像素的平均测量穆勒矩阵为mij-ror，计算参考区域内平均测量穆勒矩阵为mij-ror的平均值并由此计算参考区域的标准差矩阵s；

7、

8、第四步，应用lu-chipman矩阵分解于参考区域内平均测量穆勒矩阵为mij-ror获取参考区域消偏穆勒矩阵mij-ror△；

9、(1)提取参考区域平均测量穆勒矩阵mij-ror右下角含有九个元素的分块矩阵mij-ror：

10、

11、(2)计算参考区域平均测量穆勒矩阵mij-ror的分块矢量pij-ror，dij-ror，并取dij-ror的单位向量

12、

13、

14、

15、(3)计算参考区域平均双衰减分块矩阵mij-ror-d：

16、

17、其中ex为包含x×x个元素的单位矩阵；

18、(4)构建参考区域平均双衰减矩阵mij-rord：

19、

20、(5)运用矩阵逆运算将平均双衰减矩阵mij-rord从参考区域平均测量穆勒矩阵mij-ror中去除，得到参考区域伪平均双折射相位延迟矩阵mij-rorrf：

21、mij-rorrf＝mij-ror(mij-rord)-1              (9)

22、(6)将参考区域伪平均双折射相位延迟矩阵mij-rorrf分块化表示，并提取分块矩阵mij-ror'及向量pij-ror-△：

23、

24、(7)应用矩阵分解法则从参考区域伪平均双折射相位延迟矩阵mij-rorrf提取参考区域平均消偏矩阵mij-roi△；

25、设λa，λb，λc为mij-ror'(mij-ror')t的三个特征根，则消偏分块矩阵mij-ror-△表示为：

26、

27、(8)参考区域平均消偏矩阵mij-ror△即可分块化表示为如下形式：

28、

29、第五步，计算参考区域平均消偏矩阵mij-ror△的frobenius范数||mij-ror△||f和参考区域标准差矩阵的frobenius范数||s||f进行比较：

30、(1)设定error：

31、(2)若：

32、||mij-ror△||f≤||s||f+error             (13)

33、则(i，j)位置噪声引起的消偏忽略不计；

34、(3)若：

35、||mij-ror△||f>||s||f+error             (14)

36、则(i，j)位置存在噪声引起的消偏；

37、第六步，应用lu-chipman矩阵分解于目标区域内平均测量穆勒矩阵为mij-roi获取目标区域消偏穆勒矩阵mij-roi△；

38、(1)提取目标区域平均测量穆勒矩阵mij-roi右下角含有九个元素的分块矩阵mij-roi：

39、

40、(2)计算目标区域平均测量穆勒矩阵mij-roi的分块矢量pij-roi，dij-roi，并取dij-roi的单位向量

41、

42、

43、

44、(3)计算目标区域平均双衰减分块矩阵mij-roi-d：

45、

46、(4)构建目标区域平均双衰减矩阵mij-roid：

47、

48、(5)运用矩阵逆运算将目标区域平均双衰减矩阵mij-roid从目标区域平均测量穆勒矩阵mij-roi中去除，得到目标区域伪平均双折射相位延迟矩阵mij-roirf：

49、mij-roirf＝mij-roi(mij-roid)-1                   (21)

50、(6)将目标区域伪平均双折射相位延迟矩阵mij-roirf分块化表示，并提取分块矩阵mij-roi'及向量pij-roi-△：

51、

52、(7)应用矩阵分解法则将目标区域伪平均双折射相位延迟矩阵mij-roirf再分解为目标区域平均双折射相位延迟矩阵mij-roir和目标区域平均消偏矩阵mij-roi△；

53、设λ1，λ2，λ3为mij-roi'(mij-roi')t的三个特征根，则消偏分块矩阵mij-roi-△表示为：

54、

55、(8)将目标区域平均消偏矩阵mij-roi△分块化为如下形式：

56、

57、(9)通过逆矩阵运算获取目标区域平均双折射相位延迟矩阵mij-roir：

58、mij-roir＝(mij-roi△)-1mij-roirf                 (25)

59、第七步，计算目标区域平均消偏矩阵mij-out△的frobenius范数||mij-out△||f和参考区域标准差矩阵的frobenius范数||s||f进行比较：

60、(1)设定error2：

61、(2)若：

62、||mij-roi△||f≤||s||f+error2                  (26)

63、则(i，j)位置噪声引起的消偏忽略不计；

64、(3)若：

65、||mij-roi△||f>||s||f+error2                  (27)

66、则(i，j)位置存在噪声引起的消偏；

67、第八步，对满足(27)关系的位置进行噪声补偿，选取该位置的平均消偏矩阵mij-roi△，设定测试系数α，构建测试平均消偏矩阵mij-test△(α)：

68、

69、第九步，构建测试测量穆勒矩阵mij-roi-test(α)

70、mij-roi-test(α)＝mij-roi△(α)mij-roirmij-roid                 (29)

71、第十步，构建试探测量穆勒矩阵mij-roi-trial(α)

72、mij-roi-trial(α)＝mij-test△(α)mij-roirmij-roid               (30)

73、第十一步，从1到0逐步递减，带入不同测试系数α，直到满足如下关系

74、||mij-roi△(mij-test△(α))-1||f>||sf+error               (31)

75、第十二步，记此时的试探测量穆勒矩阵为mij-roi-trialαk，并根据此计算介质消偏系数emdi：

76、

77、本方法基于穆勒矩阵分解消偏性质判定法，配合移动窗平均穆勒矩阵算法，加入消偏矩阵迭代逼近法进行介质消偏指数高精度估计进行消偏成像，可显著去除噪声对消偏测量值的影响，提升消偏图像质量，提高高消偏病理斑块识别几率。比较基于普通消偏系数和偏振均一度的消偏测量方法，应用本方法的消偏测量能在双偏振态的偏振敏感相干层析成像中有效去除噪声影响，具有更广泛的适用性和更高的鲁棒性。