时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法与系统。通过一种信号采集方法，对流动样本收集三维空间内散射信号；通过一种时空样本系综方法，在时间维度和空间维度上建立散射信号的样本系综；通过一种运动自适应方法，用于自适应地调整样本系综的大小，抑制组织抖动造成的虚假信号；通过一种血流量化方法，根据自适应的样本系综量化血液动力学参数。本发明专利技术能有效提升去相关系数量化血流的动态范围，抑制量化的不确定度，提升血流量化的分辨能力。

【技术实现步骤摘要】
时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法与系统
本专利技术大体涉及生物医学成像领域，且更具体地涉及与光学相干层析成像技术(OpticalCoherenceTomography，OCT)和光学相干血流造影(OCTAngiography，OCTA)相关联的血流造影和血液动力学量化。
技术介绍
脑部血流变化和神经活动有着密切联系，这一机制被称为神经血管耦合。因此，对血液动力学响应的观测被广泛应用于对脑活动的评估。目前，荧光血流造影是血流灌注成像中的常用方法，但是这种方法缺乏深度方向的分辨能力，不能提供定量信息，进一步地限制了它的应用。线扫描双光子显微成像也可以被用于测量单独血管的流速或流量，但是它有限的扫描速度使得它难以满足同时对大量血管进行量化的需求。近年来，以光学相干层析技术为基础发展起来的光学相干血流造影OCTA，能够通过对血红细胞的运动增强，提供非侵入性的、无标记的、毛细血管级别的三维血流灌注成像。这种二维或三维的血流信息数据更有利于同时观测一定深度内的多个血管。因此，很多研究致力于发展基于OCTA的血管成像和血流测量技术，这其中，基于相关运算的OCTA方法具有很好的发展前景。目前，基于相关运算的OCTA在临床和体外实验中被广泛使用，而且，散射光信号的去相关系数被证明和散射颗粒的动态高度相关，据此可以对散射颗粒的大小和运动速度进行量化。用去相关性系数计算的OCTA信号，被证明和血流流速、流量等血液动力学参数之间有紧密的联系。但是，体外仿体实验表明，去相关系数和血流流速之间存在的线性关系，只存于有限的动态范围内，且这一范围小于去相关系数的理论动态范围0到1。对于一个给定的时间间隔，背景噪声和饱和状态分别决定了能够测量的最小速度和最大速度。为了克服这种动态范围的限制，很重要的一点是要扩大能够用来测量的动态范围，同时提升对血流速度的分辨能力。实际中，去相关系数的饱和值远低于理论值1，因此极大地限制了最大可分辨的流速。而去相关估计的不确定度(即方差)则决定了血流量化的分辨能力。去相关系数的饱和值和不确定度都能通过扩大用来估计去相关系数的样本系综的大小来提升。但是，系综内样本数量在空间维度的扩大同时还受空间分辨率的制约，而在时间维度上寻求扩大样本量，则会受到生物组织运动的影响。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种基于时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法与系统，方法中用于计算去相关系数的样本系综在时间维度和空间维度同时扩展样本数量，显著地扩大了血流量化的动态范围，减小了不确定度，提高了对血流速度的分辨能力，各时间点的子窗口采用自适应的窗口大小，有效抑制了生物组织运动对量化结果的影响。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：一、一种时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法：一种信号采集方法，用于对流动样本收集三维空间内散射信号；一种时空样本系综方法，用于在时间维度和空间维度上建立散射信号的样本系综构成时间-空间样本系综；一种运动自适应方法，用于自适应地调整样本系综的大小，抑制组织抖动造成的虚假信号，获得自适应的样本系综；一种血流量化方法，用于根据自适应的样本系综量化血液动力学参数，实现血流量化检测。所述的流动样本为包含血流区域的生物组织样本，例如脑皮层。所述一种信号采集方法，用于对流动样本收集三维空间内散射信号，包括：对流动样本进行三维空间的OCT扫描成像，在每一空间位置及其附近位置在nf个不同时间点重复采样进行nr次，且各次采样以相同实验条件重复采样，收集获得散射信号。具体采用以下方式之一：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。所述一种时空样本系综方法，用于在时间维度和空间维度上建立散射信号的样本系综构成时间-空间样本系综，包括：将空间维度和时间维度上相邻的散射信号相结合，构成具有更多样本系综样本量的时间-空间样本系综。所述空间维度，包括：沿信号采集时的光轴(例如OCT扫描成像的光轴)方向的深度空间和垂直于光轴方向的横向空间；所述时间维度，包括：相同空间位置及其附近位置在不同时间点的重复采样，和相同条件下重复实验次数。所述一种运动自适应方法，用于自适应地调整样本系综的大小，抑制组织抖动造成的虚假信号，获得自适应的样本系综，具体包括：对时间-空间样本系综内各时间点对应的子样本系综计算去相关系数，统计各时间点的去相关系数的分布作为真实分布；估计不同时间点的子样本系综所计算出的去相关系数的理论分布；根据理论分布，估计真实分布中各时间点对应的理论概率；根据对各时间点估计出的理论概率，调整各时间点的子样本系综的样本数量。所述一种运动自适应方法，具体为：时间-空间样本系综内各时间点对应的子样本系综的去相关系数d(T)在时间维度上服从以d0为中心的分布FT(d)，T表示时间点，d表示子样本系综计算得到的去相关系数，d0表示由流动样本的流速决定的去相关系数；对时间-空间样本系综内每两个时间点对应的样本计算去相关系数d(T1，T2)，T1，T2分别表示两个不同的时间点，即发生在T1、T2两个时间点的生物组织运动所导致的去相关系数的偏移，通过这种方式，共得到个不同的去相关系数，NT表示时空样本系综方法中时间维度的所有时间点T的总数，由所有去相关系数d(T1，T2)组成了真实分布fT(d)；在步骤时空样本系综方法中，一个时间-空间样本系综也称为一个时间-空间窗口，将所有通过时空样本系综方法获得的样本系综对应的真实分布fT(d)进行叠加作为理论分布FT(d)，将理论分布FT(d)和时间-空间窗口下对应的真实分布fT(d)进行对齐，真实分布中的每个去相关系数d(T1，T2)在理论分布的曲线上对应一个出现概率P(T1，T2)，每个概率P(T1，T2)具有以下约束条件：P(T1，T2)＝P(T1)*P(T2)，T1，T2＝1，2，…，NTandT1≠T2对于时空样本系综方法时间-空间窗口中的任意一个时间点T，得到NT-1个约束条件；然后根据最大熵原理，建立以下目标函数求解使熵H(P)最大的解：s.t.P(T1)*P(T2)＝P(T1，T2)，T1，T2＝1，2，…，NTandT1≠T2其中，s.t.表示受条件约束，C表示满足所有约束条件的概率模型的集合，P表示概率值，P(T)表示时间点T的样本出现的概率值；求解上述目标函数得到窗口内每一时间点T对应的概率值P(T)，然后根据概率值采用以下公式将每一时间点T对应的空间维度子窗口的样本系综的样本量由原来的固定值NS调整为如下公式的新数量[NS(T)]，且调整后的[NS(T)]个样本系综的样本是从原来的NS个样本系综的样本中随机选出的：NS(T)∝P(T)，0≤[NS(T)]≤NS其中[]表示取整操作，∝表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法，其特征在于包括以下依次进行的：/n一种信号采集方法(1)，用于对流动样本收集三维空间内散射信号；/n一种时空样本系综方法(2)，用于在时间维度和空间维度上建立散射信号的样本系综构成时间-空间样本系综；/n一种运动自适应方法(3)，用于自适应地调整样本系综的大小，抑制组织抖动造成的虚假信号，获得自适应的样本系综；/n一种血流量化方法(4)，用于根据自适应的样本系综量化血液动力学参数，实现血流量化检测。/n

【技术特征摘要】
1.一种时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法，其特征在于包括以下依次进行的：
一种信号采集方法(1)，用于对流动样本收集三维空间内散射信号；
一种时空样本系综方法(2)，用于在时间维度和空间维度上建立散射信号的样本系综构成时间-空间样本系综；
一种运动自适应方法(3)，用于自适应地调整样本系综的大小，抑制组织抖动造成的虚假信号，获得自适应的样本系综；
一种血流量化方法(4)，用于根据自适应的样本系综量化血液动力学参数，实现血流量化检测。


2.根据权利要求1所述的一种时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法，其特征在于：所述一种信号采集方法(1)，用于对流动样本收集三维空间内散射信号，包括：对流动样本进行三维空间的OCT扫描成像，在每一空间位置及其附近位置在nf个不同时间点重复采样进行nr次，且各次采样以相同实验条件重复采样，收集获得散射信号。


3.根据权利要求1所述的一种时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法，其特征在于：所述一种时空样本系综方法(2)，用于在时间维度和空间维度上建立散射信号的样本系综构成时间-空间样本系综，包括：将空间维度和时间维度上相邻的散射信号相结合，构成具有更多样本系综样本量的时间-空间样本系综。


4.根据权利要求1所述的一种时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法，其特征在于：所述一种运动自适应方法(3)，用于自适应地调整样本系综的大小，抑制组织抖动造成的虚假信号，获得自适应的样本系综，具体包括：
对时间-空间样本系综内各时间点的子样本系综计算去相关系数，统计各时间点的去相关系数的分布作为真实分布(31)；
估计不同时间点的子样本系综所计算出的去相关系数的理论分布(32)；
根据理论分布，估计真实分布中各时间点对应的理论概率(33)；
根据对各时间点估计出的理论概率，调整各时间点的子样本系综的样本数量(34)。


5.根据权利要求1所述的一种时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法，其特征在于：所述一种运动自适应方法(3)，具体为：
时间-空间样本系综内各时间点的子样本系综的去相关系数d(T)在时间维度上服从以d0为中心的分布FT(d)，T表示时间点，d表示子样本系综计算得到的去相关系数，d0表示由流动样本的流速决定的去相关系数；
对时间-空间样本系综内每两个时间点对应的样本计算去相关系数d(T1,T2)，T1,T2分别表示两个不同的时间点，共得到个不同的去相关系数，NT表示时空样本系综方法(2)中时间维度的所有时间点T的总数，由所有去相关系数d(T1,T2)组成了真实分布fT(d)；
将所有通过时空样本系综方法(2)获得的样本系综对应的真实分布fT(d)进行叠加作为理论分布FT(d)，将理论分布FT(d)和对应的真实分布fT(d)进行对齐，真实分布中的每个去相关系数d(T1,T2)在理论分布的曲线上对应一个出现...

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