皮肤光学相干层析图像配准的方法技术

一种皮肤光学相干层析图像的配准方法，首先对采集的两组快速扫描方向正交的光学相干层析三维数据集进行预处理，再利用多层分辨率法与梯度优化法对两组数据集进行先纵向后整体的两步配准，消除运动伪影。完成配准后，将两组三维数据集进行加权融合，并沿纵向累加得到二维图像。本发明专利技术可以消除受运动影响严重的皮肤光学相干层析图像中的运动伪影，并通过图像融合提高了图像质量。

【技术实现步骤摘要】
皮肤光学相干层析图像配准的方法
本专利技术涉及光学相干层析成像(OpticalCoherenceTomography，简称OCT)，特别是一种皮肤光学相干层析图像配准的方法。
技术介绍
光学相干层析成像(OpticalCoherenceTomography，以下简称OCT)是一种非侵入、高分辨率、可在体检测生物组织内部微结构的生物医学光学成像技术。1991年，美国麻省理工学院的J.G.Fujimoto和D.Huang等人首先提出了此概念，并对视网膜和冠状动脉进行了离体成像。OCT可分为时域OCT(TimeDomainOCT，TDOCT)和频域OCT(FourierDomainOCT，FDOCT)。频域OCT相比时域OCT，成像速度更快且信噪比更高。目前OCT技术已被广泛应用于眼科、皮肤科、心血管等领域的临床诊断和研究。光学相干层析微血管造影技术(OpticalCoherenceTomographyAngiography,OCTA)是OCT技术的功能化拓展，不但可以获得样品的结构差异，而且可以得到层析的血管图像。OCTA利用血红细胞等粒子运动引起的干涉信号变化，计算得到组织中的三维血液灌注图。相比于FA与ICGA，OCTA是一种可以提供更加完善的组织结构和血管结构信息的三维无标记、安全、快速的成像手段。OCTA最初主要用于视网膜微血管成像，随后在皮肤微血管成像方面也得到了应用。OCTA数据采集时需要在同一位置连续采集具有一定时间间隔的B-scan，通过比较B-scan之间的去相关信号以重建微血管图像。数据采集过程中，不可避免地会受到样品运动、环境噪声、系统振动等影响，使数据不连续，并表现为血管图像的扭曲和断裂，在图像中产生运动伪影。样品运动造成的伪影会严重降低OCTA的成像质量，并影响对组织微血管的定量研究。样品运动有多种来源，如呼吸和心搏、被测部位不自主的抖动等。即使很小的运动，如心搏在皮肤中造成的微米级运动，都会增加背景噪声，最终影响血管成像效果。数据采集的时间间隔越长，运动伪影越严重。因此在OCTA的血管提取算法中，运动伪影的消除是一项关键内容。伪影消除的主要方法是图像配准，即利用变换、插值、位移等方法将图像中受运动影响产生的扭曲、断裂等校正，得到无运动伪影的图像。现有的OCT伪影消除方法主要基于硬件方法和软件方法。硬件方法中，一种方式是使用高速OCT以减少采集时间进而减少采样中的运动(参见在先技术[1]Z.Zhietal.,“4Dopticalcoherencetomography-basedmicro-angiographyachievedby1.6-MHzFDMLsweptsource,”Opt.Lett.40(8),1779–1782(2015).)；另一种方式是使用外加的仪器探测采集中的运动以使系统重新扫描以消除运动影响(参见在先技术[2]B.Braafetal.,“Real-timeeyemotioncorrectioninphase-resolvedOCTangiographywithtrackingSLO,”Biomed.Opt.Express4(1),51–65(2013).)。但硬件方法中，使用高速OCT的方式增加了系统成本，使用外加仪器的方式增加了系统复杂度和成本。软件方法中，一种方式是利用互相关算法对连续B-scan进行处理实现图像三维配准(参见在先技术[3]ZawadzkiRJ,FullerAR,ChoiSS,etal.Correctionofmotionartifactsandscanningbeamdistortionsin3Dophthalmicopticalcoherencetomographyimaging[C]//OphthalmicTechnologiesXVII.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2007,6426:642607.)；另一种方式是通过表面分割，从OCT结构图中提取了组织特征，并进行几何变换以校正横向扭曲(参见在先技术[4]AntonyB,AbramoffMD,TangL,etal.Automated3-Dmethodforthecorrectionofaxialartifactsinspectral-domainopticalcoherencetomographyimages[J].Biomedicalopticsexpress,2011,2(8):2403-2416.)。但这几种方式均难以满足微血管造影的配准精度需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种三维皮肤OCT图像配准方法。对采集的两组快速扫描方向正交的OCT三维数据集进行预处理，再利用多层分辨率法与梯度优化法对两组数据集进行先纵向后整体的两步配准，消除运动伪影。完成配准后，将两组三维数据集进行加权融合，并沿纵向累加得到二维图像。本专利技术可以消除受运动影响严重的皮肤光学相干层析图像中的运动伪影，并通过图像融合提高了图像质量。本专利技术的技术解决方案如下：一种皮肤光学相干层析图像配准的方法，其特点在于该方法包括以下步骤：①定义一个扫描坐标系，该坐标系为空间三维直角坐标系，x和y为水平维度，z为竖直维度；②定义光学相干层析成像使用栅线扫描(rasterscan)方式采集三维数据集时，采集B-scan的方向称为快速扫描方向；③使用光学相干层析成像系统在待测皮肤的成像区域使用栅线扫描方式采集一组三维数据集命名为XRAW；XRAW中所有体素定义在①中所述扫描坐标系中坐标(xi,yj,zk)上，xi,yj,zk分别表示x、y、z轴上的第i、j、k个正整数点，xi＝1,2,3…wx，yj＝1,2,3…hx，zk＝1,2,3…dx，wx、hx、dx分别为XRAW在x、y、z三轴上的采样点数；快速扫描方向沿x轴方向；④使用③中同一光学相干层析成像系统在待测皮肤与③中同一成像区域使用栅线扫描方式采集另一组三维数据集命名为YRAW；YRAW中所有体素定义在①中所述扫描坐标系中坐标(xi,yj,zk)上，xi,yj,zk分别表示x、y、z轴上的第i、j、k个正整数点，xi＝1,2,3…hy，yj＝1,2,3…wy，zk＝1,2,3…dy，hy、wy、dy分别为YRAW在x、y、z三轴上的采样点数；快速扫描方向沿y轴方向；hy＝wx，wy＝hx，dx＝dy；⑤对三维数据集XRAW和YRAW做预处理，得到三维数据集XFAST和YFAST，具体步骤如下：5.1)对XRAW和YRAW分别沿z方向做一维中值滤波，得到两组三维数据集XP1和YP1；5.2)对XP1和YP1分别做对数变换，得到XP2和YP2；5.3)对XP2和YP2做阈值处理：计算XP2和YP2中所有体素强度的直方图，取直方图中最大值对应的区间的中值作为阈值下限thmin，取所有体素强度的最大值作为阈值上限thmax，对XP2和YP2分别进行阈值处理和归一化得到两组三维数据集，命名为XP3，Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种皮肤光学相干层析图像的配准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n①定义一个扫描坐标系，该扫描坐标系为空间三维直角坐标系，x和y为水平维度，z为竖直维度；/n②定义光学相干层析成像使用栅线扫描方式采集三维数据集时，采集B-scan的方向称为快速扫描方向；/n③使用光学相干层析成像系统在待测皮肤的成像区域使用栅线扫描方式采集一组三维数据集命名为XRAW；XRAW中所有体素定义在①中所述扫描坐标系中坐标(x

【技术特征摘要】
1.一种皮肤光学相干层析图像的配准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
①定义一个扫描坐标系，该扫描坐标系为空间三维直角坐标系，x和y为水平维度，z为竖直维度；
②定义光学相干层析成像使用栅线扫描方式采集三维数据集时，采集B-scan的方向称为快速扫描方向；
③使用光学相干层析成像系统在待测皮肤的成像区域使用栅线扫描方式采集一组三维数据集命名为XRAW；XRAW中所有体素定义在①中所述扫描坐标系中坐标(xi，yj，zk)上，xi，yj，zk分别表示x、y、z轴上的第i、j、k个正整数点，xi＝1，2，3...wx，yj＝1，2，3...hx，zk＝1，2，3…dx，wx、hx、dx分别为XRAW在x、y、z三轴上的采样点数；快速扫描方向沿x轴方向；
④使用③中同一光学相干层析成像系统在待测皮肤与③中同一成像区域使用栅线扫描方式采集另一组三维数据集命名为YRAW；YRAW中所有体素定义在①中所述扫描坐标系中坐标(xi，yj，zk)上，xi，yj，zk分别表示x、y、z轴上的第i、j、k个正整数点，xi＝1，2，3...hy，yj＝1，2，3...wy，zk＝1，2，3…dy，hy、wy、dy分别为YRAW在x、y、z三轴上的采样点数；快速扫描方向沿y轴方向；hy＝wx，wy＝hx，dx＝dy；
⑤对三维数据集XRAW和YRAW做预处理，得到三维数据集XFAST和YFAST；
⑥定义XFAST为0级分辨率数据集，对XFAST做N次沿x、y、z方向的系数为2的下采样，下采样一次的结果为1级分辨率数据集，命名为XDOWN1，以此类推，下采样N次的结果为N级分辨率数据集，命名为XDOWNN；
定义YFAST为0级分辨率数据集，对YFAST做N次沿x、y、z方向的系数为2的下采样，下采样一次的结果为1级分辨率数据集，命名为YDOWN1，以此类推，下采样N次的结果为N级分辨率数据集，命名为YDOWNN；
⑦定义采集XRAW时，在yj＝j处采集的B-scan的采样时刻为txj，其中yj＝1处采集的B-scan的采样时刻tx1＝0；定义采集YRAW时在xi＝i处采集的B-scan的采样时刻为tyi，且tyi＞txj；
⑧定义在采样时刻tx1＝0时，按③中所述的采样点采得的三维数据集为理想采样数据集，理想采样数据集的B-scan称为理想采样B-scan；从yj＝j(j＞1)处的理想采样B-scan运动到txj(j＞1)时刻的实际采样的B-scan在z方向的运动量为Dz(txj)，从xi＝i处的理想采样B-scan运动到tyi时刻的实际采样点在z方向的运动量为Dz(tyi)；
⑨对两组N级分辨率数据集XDOWNN、YDOWNN进行纵向配准，得到N级分辨率数据集的纵向运动量，将N级分辨率数据集的纵向运动量进行插值得到N-1级纵向运动量初值，对N-1级分辨率数据集XDOWNN-1、YDOWNN-1进行纵向配准，以此类推，直到对XFAST、YFAST纵向配准，得到0级分辨率数据集的纵向运动量，利用0级分辨率数据集的纵向运动量Dz(txj)和Dz(tyi)，使用插值方法对XFAST和YFAST进行变换：变换前XFASTi，j，k＝V(XFAST，xi，yj，zk)，表示三维数据集XFAST在第i列、第j行、第k页的值为XFAST在三维坐标系中(xi，yj，zk)点的值，变换后得到新的三维数据集XCOR，XCORi，j，k＝V(XFAST，xi，yj，zk+Dz(txj))，变换前YFASTi，j，k＝V(YFAST，xi，yj，zk)，表示三维数据集YFAST在第i列、第j行、第k页的值为YFAST在三维坐标系中(xi，yj，zk)点的值，变换后得到新的三维数据集YCOR，YCORi，j，k＝V(YFAST，xi，yj，zk+Dz(tyi))；
⑩定义XCOR为0级分辨率数据集，对XCOR做N次沿x、y、z方向的系数为2的下采样，下采样一次的结果为1级分辨率数据集，命名为XCORDOWN1，以此类推，下采样N次的结果为N级分辨率数据集，命名为XCORDOWNN；
定义YCOR为0级分辨率数据集，对YCOR做N次沿x、y、z方向的系数为2的下采样，下采样一次的结果为1级分辨率数据集，命名为YCORDOWN1，以此类推，N次的结果为N级分辨率数据集，命名为YCORDOWNN；

根据⑧所述，从yj＝j(j＞1)处的理想采样B-scan运动到txj(j＞1)时刻的实际采样的B-scan在x、y、z方向的运动量分别为Dx(txj)、Dy(txj)、Dz(txj)，从xi＝i处的理想采样B-scan运动到tyi时刻的实际采样点在x、y、z方向的运动量分别为Dx(tyi)、Dy(tyi)、Dz(tyi)；

对两组N级分辨率数据集XCORDOWNN、YCORDOWNN进行整体配准，得到N级分辨率数据集的整体运动量，将N级分辨率数据集的整体运动量进行插值得到N-1级整体运动量初值，对N-1级分辨率数据集XCORDOWNN-1、XCORDOWNN-1进行整体配准，以此类推，直到对XCOR、YCOR整体配准，得到0级分辨率数据集的整体运动量，利用0级整体运动量Dx(txj)，Dy(txj)，Dz(txj)和Dx(tyi)，Dy(tyi)，Dz(tyi)，使用插值方法对XCOR和YCOR进行变换：变换前XCORi，j，k＝V(XCOR，xi，yj，zk)，表示三维数据集XCOR在第i列、第j行、第k页的值为XCOR在三维坐标系中(xi，yj，zk)点的值，变换后得到新的三维数据集XREG，XREGi，j，k＝V(XCOR，xi+Dx(txj)，yj+Dy(txj)，zk+Dz(txj))，变换前YCORi，j，k＝V(YCOR，xi，yj，zk)，表示三维数据集YCOR在第i列、第j行、第k页的值为YCOR在三维坐标系中(xi，yj，zk)点的值，变换后得到新的三维数据集YREG，YREGi，j，k＝V(YCOR，xi+Dx(tyi)，yj+Dy(tyi)，zk+Dz(tyi))；

将两组三维数据集XREG和YREG加权融合，得到Vmerged，将Vmerged沿z向累加，得到En-face投影图。


2.根据权利要求1所述皮肤光学相干层析图像的配准方法，其特征在于，所述的步骤⑤中预处理包括以下步骤：
①对XRAW和YRAW分别沿z方向做一维中值滤波，得到两组三维数据集XP1和YP1；
②对XP1和YP1...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹毅，李中梁，南楠，张茜，何东航，王向朝，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31