基于特征空间的光学相干层析的三维血流造影方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于特征空间的光学相干层析的三维血流造影方法及系统。通过采集器收集三维空间内散射信号样本的OCT散射信号；通过理论建立的分类器结合OCT散射信号的局部信噪比和去相关系数构建二维特征空间，实现动态血流信号与静态组织的分类，具体包括：采用一阶和零阶自协方差对OCT散射信号计算分析，得到各OCT散射信号信噪比和去相关的两个特征；构建信噪比倒数‑去相关系数二维特征空间；基于多元时间序列理论，构建ID空间的线性分类器，去除静态周围组织背景。本发明专利技术能显著抑制系统噪声对血流成像的影响，提高血流图像的对比度，特别是深层组织的血管可见度，提高血流量化的准确度。

Three-dimensional flow imaging method and system based on optical coherence tomography in feature space

The invention discloses a method and system of three-dimensional hemodynamic imaging based on optical coherence tomography in feature space. The OCT scattering signal of scattering signal samples in three-dimensional space is collected by the collector, and the two-dimensional feature space is constructed by combining the theoretical classifier with the local signal-to-noise ratio and the de-correlation coefficient of OCT scattering signal to realize the classification of dynamic blood flow signals and static tissues, which includes: calculating and analyzing OCT scattering signal with first-order and zero-order autocovariance, and obtaining the scattering signal of each OCT. Two features of noise ratio and de-correlation are constructed; a two-dimensional feature space of reciprocal signal-to-noise ratio and de-correlation coefficient is constructed; and a linear classifier of ID space is constructed based on the theory of multiple time series to remove the static surrounding organizational background. The invention can significantly suppress the influence of system noise on blood flow imaging, improve the contrast of blood flow image, especially the blood vessel visibility of deep tissue, and improve the accuracy of blood flow quantification.

【技术实现步骤摘要】
基于特征空间的光学相干层析的三维血流造影方法及系统
本专利技术大体涉及生物医学成像领域，且更具体地涉及光学相干层析成像技术(OpticalCoherenceTomography，OCT)和光学相干层析血流造影术(OCTAngiography，OCTA)相关联的血流造影方法和基于时间序列模型的血流分类方法。
技术介绍
血流是衡量生理功能和病理状态的重要指标，目前在临床上常用的血管造影技术需要静脉注射外源性标记物，可能引发的副作用使其不适合对人体血流进行长期的、频繁的跟踪检测以及部分病人的身体状况。近年来，以光学相干层析技术为基础发展起来的血管造影技术OCTA，以内源性的血流运动代替传统的外源荧光标记物，其非侵入性、无标记的特点，以及对生物组织内的微血管网络进行清晰、可靠的三维成像的能力，使得该技术在被专利技术以来得到了很快的发展，并在眼底、脑皮层血管和皮肤成像的研究中得到了应用。为了获取OCTA血流图像，通常需要在生物组织的每个空间位置、以一定的时间间隔进行重复采样(重复的A线扫描或B帧扫描)，通过分析OCT散射信号的时间动态来量化每个位置处的运动强度，根据量化得到的运动强度来对血流信号和静态组织信号进行分类。目前已报道的OCTA的运动度量指标，主要是基于相邻的A线扫描间(或相邻B扫描帧间)的差分、方差或去相关计算。其中基于去相关计算的OCTA运动度量指标，由于其同时利用信号的强度和相位信息，因此分类结果的可靠性更高，受多普勒角度和光源整体强度变化的影响更小。同时，由于去相关衡量的是相邻B扫描帧间的相似度，因此受整体光源强度变化的影响小。但是，OCTA的血管流动的运动指标，特别是去相关系数的运动指标，对原始的OCT散射信号的噪声水平具有显著的依赖性。随着信号强度的衰减(如在深层组织区域)，随机噪声将逐渐占据主要成分，其时变特性与真实血流区域相似，因此导致去相关伪影。在去相关系数运动指标上，无法区分噪声的随机性和血红细胞的运动导致的去相关，因此信噪比较弱的区域容易被误判为血流信号区域，严重影响血流图像的对比度。常见的解决办法是设置一个经验性的强度阈值，生成强度掩膜来去掉所有低信噪比的信号。但是，由于去相关系数和信号强度间存在着复杂的依赖关系，简单的强度掩膜会导致高分类错误率和低运动对比度。现有的一些OCTA分类方法大多缺少较强的理论支撑，受到模版参数与实际生物组织差异的干扰，不能明显地区分动静态信号的准确分类；或者以复杂的估计量修正信噪比对去相关的影响，运算复杂且无法去除静态区域导致的背景噪声。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于特征空间的光学相干层析的三维血流造影方法及系统，利用OCT信号的信噪比和去相关特征的，采用多元时间序列模型进行信噪比适应的三维血流成像，能够精确地区分OCT图像中血流和混有噪声的静态区域。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：包括采集器步骤，用于收集三维空间内散射信号样本的OCT散射信号；包括分类器步骤，结合OCT散射信号的信噪比与去相关系数构建二维特征空间实现动态血流信号与静态组织的分类，进而实现利用信噪比的修正；包括成像造影步骤，基于分类器的分类结果生成血流造影图。所述的散射信号样本为生物组织样本，生物组织样本例如可以为人和动物皮肤、脑组织、眼睛。所述用于收集三维空间内散射信号样本的OCT散射信号，具体包括：对散射信号样本进行三维空间的OCT扫描成像，相同空间位置及其附近位置在S个不同时间点重复采样以及使用多通道进行重复采样。多通道是指OCT光源发出光的多偏振态、多扫描入射角度等。所述对散射信号样本进行三维空间的OCT扫描成像，相同空间位置及其附近位置在S个不同时间点重复采样，采用以下方式之一：通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法；利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法；利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法。所述结合OCT散射信号的信噪比与去相关系数构建二维信噪比倒数-去相关性系数(ID)特征空间，实现动态血流信号与静态组织的分类，具体包括：S1、采用一阶和零阶自协方差对OCT散射信号计算分析，并在时间、空间、通道等多个维度上作滑动平均或高斯平均，得到各OCT散射信号的信噪比和去相关系数的两个特征；S2、建立信噪比-去相关系数特征空间，将体素映射至信噪比-去相关系数(ID)特征空间；用多元时间序列模型建立线性分类器，在信噪比倒数-去相关系数特征空间中将OCT散射信号分为动态血流信号和静态组织噪声信号，并使用经信噪比修正替换去相关系数生成血管造影图。所述的OCT散射信号分为动态血流信号和噪声与静态组织信号，噪声信号即为无样品区域的信号，动态血流信号和静态组织信号分别对应血流区域和静态组织区域。所述步骤S1具体为：采用一阶和零阶自协方差对OCT散射信号计算分析，并在三维空间、时间、通道等多个维度上做滑动平均或高斯平均，得到各OCT散射信号的强度和去相关系数的两个特征，如图4(a)和4(b)所示。所述去相关系数的特征包括：对同一空间位置S个不同时间点扫描得到的OCT散射信号的幅度部分或对包含幅度和相位的OCT散射信号计算去相关系数，作为各OCT散射信号的OCTA血流对比度，即作为OCTA血流信息。去相关运算中，按照高维平均核(包含时间、空间、偏振、通道等维度)大小，在特征空间建立图4(c)的分类器；根据分类器的分类结果生成血流造影如图4(d)。所述的多元时间序列模型的具体定义为：OCT散射信号采集到的信号X(m,t)是由生物组织样本的后向散射光信号A(m,t)和随机噪声n(m,t)叠加而成，其中m,t分别指体素的空间位置和时间。一般地，时间序列A,n建立如下条件：1、n(m,t)是空间上互相独立的白噪声，并且与后向散射光信号A(m,t)不相关；2、A(m,t)是空间上相互独立同分布的平稳、遍历时间序列，并且其期望存在，具有有限的方差(二阶矩)；3、A(m,t)在时间上部分相关，即一阶自协方差存在，一阶自相关系数k的模的取值范围为[0,1]。所述步骤S2具体为：结合OCT散射信号强度与去相关系数构建信噪比倒数-去相关系数(ID)特征空间，根据多元时间序列模型通过数值模拟计算OCT散射信号的信噪比-去相关系数的渐近关系(式(5))，将OCT散射信号投影到信噪比倒数-去相关系数(ID)特征空间中，如图4(c)所示，获得静态区域和噪声区域中体素分布(式(6))及其统计特征(式(7，8))。具体实施中，根据多元时间序列模型，通过数值模拟计算OCT散射信号的信噪比-去相关系数的渐近关系。在模拟过程中，根据通常认为的瑞利分布对A的强度和均匀分布对其相位进行模拟，并设定白噪声为高斯分布的复随机噪声，以此生成数张模拟图片，将得到的最终模拟信号投影在信噪比-去相关系数特征空间上。通过计算模拟数据的变异系数，根据模型，去相关的方差与平均参数成反比例关系，拟合其样本平方变异系数和平均参数可以得到反比例函数的参数。进而，根据该模型推导的线性分类器参数由模拟得到的参数和噪声水平决定。在信噪比-去相关系数特征空间中将OCT散射信号分为动态血流信号和静态组织噪声信号。对于分离出来的血流信号，使用去相关值进行显示，或者直接将其置为1进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于特征空间的光学相干层析的三维血流造影方法，其特征在于包括：包括采集器(1)步骤，用于收集三维空间内散射信号样本的OCT散射信号；包括分类器(2)步骤，结合OCT散射信号的信噪比与去相关系数构建二维特征空间实现动态血流信号与静态组织的分类，进而实现利用信噪比的修正；包括成像造影步骤，基于分类器的分类结果生成血流造影图(25)。

【技术特征摘要】
1.一种基于特征空间的光学相干层析的三维血流造影方法，其特征在于包括：包括采集器(1)步骤，用于收集三维空间内散射信号样本的OCT散射信号；包括分类器(2)步骤，结合OCT散射信号的信噪比与去相关系数构建二维特征空间实现动态血流信号与静态组织的分类，进而实现利用信噪比的修正；包括成像造影步骤，基于分类器的分类结果生成血流造影图(25)。2.根据权利要求1所述的一种基于特征空间的光学相干层析的三维血流造影方法一种信号采集方法，其特征在于：所述用于收集三维空间内散射信号样本的OCT散射信号，具体包括：对散射信号样本进行三维空间的OCT扫描成像，相同空间位置及其附近位置在S个不同时间点重复采样以及使用多通道进行重复采样。3.根据权利要求2所述的一种基于特征空间的三维血流成像方法，其特征在于：所述对散射信号样本进行三维空间的OCT扫描成像，相同空间位置及其附近位置在S个不同时间点重复采样，采用以下方式之一：通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法；利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法；利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法。4.根据权利要求1所述的一种基于特征空间的三维血流成像方法，其特征在于：所述结合OCT散射信号的信噪比与去相关系数构建二维信噪比倒数-去相关性系数特征空间，实现动态血流信号与静态组织的分类，具体包括：S1、采用一阶和零阶自协方差对OCT散射信号计算分析，并在时间、空间、通道等多个维度上作滑动平均或高斯平均，得到各OCT散射信号的信噪比和去相关系数的两个特征；S2、建立信噪比-去相关系数特征空间，将体素映射至信噪比倒数-去相关系数(ID)特征空间；用多元时间序列模型建立线性分类器，在信噪比倒数-去相关系数特征空间中将OCT散射信号分为动态血流信号和静态组织噪声信号，并使用经信噪比修正替换去相关系数生成血管造影图。5.根据权利要求4所述的一种基于特征空间的三维血流成像方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，黄璐哲，付奕铭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33