基于Gabor光学相干层析术血流成像的系统和方法技术方案

本专利提供一种用于快速生成光学相干术正面血管图像的系统和方法。如文中示例所示，将使用光谱域或扫频源光学相干层析术系统获得的差分干涉图与Gabor滤波器进行卷积，其中Gabor滤波器是根据组织表面的深度信息来计算的。再通过处理Gabor卷积后的差分干涉图来生成正面血流图像，而无需执行快速傅里叶变换和k空间重采样。在另一示例中，同一位置的两幅干涉图分别与Gabor滤波器进行卷积，再减去所得干涉图的幅度以生成差分干涉图幅度图，然后对所得信号进行进一步处理来生成正面血流图像，其中未执行其他方法所需的快速傅立叶变换和k空间重采样。与传统的OCTA算法相比，此处公开的OCTA方法具有更快的数据处理速度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于Gabor光学相干层析术血流成像的系统和方法相关应用的相互参照本申请具有于2017年11月16日提交的题为“基于Gabor光学相干层析术血流成像的系统和方法”的美国临时申请No.62/587,285的优先权，其全部内容通过引用合并于此。背景该专利涉及光学相干层析术血流成像技术。在1990年代提出的光学相干层析术(OCT)技术是一种用于医学诊断和治疗的新兴成像方法。OCT是一种利用光学干涉产生截面组织结构图像的成像模式。由空间相干光源发出的光由分束器分为参考光束和样品光束。样品的后向散射的光回到系统中与参考臂反射回的光干涉，再通过信号处理来计算样品的结果图像。根据系统结构，OCT系统通常可以分为时域OCT(TD-OCT)和频域OCT(FD-OCT)。频域OCT又可分为谱域OCT(SD-OCT)和扫频OCT(SS-OCT)。由于OCT具有无创，高分辨率和高速成像的优点，因此OCT被广泛地用于人体各种组织的疾病诊断，如人体视网膜，大脑，心脏和皮肤。除了结构成像之外，基于OCT的微血管成像算法也广泛用于医学成像中，并且起着越来越重要的作用。第一种提取血流信息的方法是光学多普勒断层成像(ODT)或彩色多普勒OCT(CDOCT)，它们能够测量出运动散射粒子的轴向速度分量。除此之外，人们也提出了OCT微血管成像(统称为OCT血管造影(OCTA))。通常，根据数据处理方法，OCTA算法可以分为两类。第一种是基于A扫的模式，例如多普勒方差相位分辨(DVPR)，基于强度的修正多普勒方差(IBDV)，光学微血管造影(OMAG)。该方法对每个位置扫描一次然后从该帧图像中提取血流信息。对于DVPR和IBDV，一个移动的小窗口内的统计信息被用来对比生成微血管图像，因此需要较高的A扫密度。对OMAG而言，需要在参考臂中使用压电级来调制干涉条纹，这增加了系统的复杂性。第二种是基于帧间的数据处理方法，需要对每个位置进行多次扫描来提取血流信号，例如相位差OCT(PVOCT)，散斑OCT(SVOCT)，相关OCT(cmOCT)，光谱分割幅度去相关(SSADA)和对数强度差分标准差(DSDLI)，以及超高灵敏度光学微血管造影(UHS-OMAG)。对于该模式，由于两帧之间的时间间隔比两次A扫之间的时间间隔长，因此可以提高系统的血流信号探测灵敏度，但是由于时间间隔的增加，运动伪影也会更加明显。PVOCT，SVOCT，cmOCT，SSADA和DSDLI通过从空间域中的相位或强度图像中计算统计信息来构造血管图像。PVOCT通过计算两帧之间的相位方差来计算血流图像。SVOCT和DSDLI分别计算两帧图像之间的强度方差和差分强度方差来计算血流图像。cmOCT和SSADA都是计算去相关系数来构造血流图像的，但是在SSADA中，整个频谱被分为四个子带宽来提高微血管图像质量。UHS-OMAG则在慢扫方向上执行OMAG算法，并根据振幅和相位信号差来计算血流信号，从而提高了灵敏度。最近并行高速成像和大范围成像已经变得越来越普遍，从而导致了数据量的急剧增加，即使在使用GPU进行数据处理的情况下，实时成像也具有挑战性。总结本专利提供用于执行光学相干层析术血管造影术以快速生成正面图像的系统和方法。比如其中一个示例中，首先将谱域或扫频OCT系统获得的差分干涉图(两帧之差)与Gabor滤波器卷积，其中Gabor滤波器是根据组织的表面深度来计算的。再通过处理卷积后的差分干涉条纹来生成正面血流图像，因而该过程不需执行快速傅里叶变换和k空间重采样。在另一示例中，两个干涉图分别与Gabor滤波器卷积，再计算卷积后干涉图的幅度来生成差分幅度图像，然后对其计算标准差来生成正面血流图像。同样没有执行快速傅立叶变换和k空间重采样。与传统的OCTA算法相比，此处公开的OCTA方法具有更快的数据处理速度。相应地，这里提供了一种通过光学相干层析术生成正面血流图像的方法，该方法包括：采用谱域或扫频源光学相干层析术来对样品连续两次扫描，并且提取样品表面信号的框架；通过计算第一光谱干涉图和第二光谱干涉图差分的方法来计算差分光谱图；将Gabor滤波器与差分光谱干涉图进行卷积，从而获得Gabor卷积的差分光谱干涉图，其中，Gabor滤波器是基于组织表面深度来计算的；和通过处理卷积所得光谱图来生成正面血管图像，其中在没有执行快速傅立叶变换和k空间重采样的情况下完成数据处理。另一个方面，提供了一种用于通过光学相干层析术生成正面血流图像的系统，该系统包括：光谱域或扫频光学相干层析术系统；和光学相干层析术系统中的控制和处理电路，该控制和处理电路包括处理器和存储器，其中处理器执行存储在存储器中的指令以执行以下步骤：控制光学相干层析术系统对组织在空间区域内扫描并探测第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图的框架；通过减法来生成第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图的差分光谱干涉图；将Gabor滤波器与差分光谱干涉图帧进行卷积，从而获得Gabor卷积后的差分光谱干涉图，其中，Gabor滤波器是基于组织表面深度信息来生成的；和处理Gabor卷积后的差分光谱干涉图来生成正面血管图像，其中未执行快速傅立叶变换和k空间重采样。在另一个方面，提供了一种通过光学相干层析术来生成正面血管图像的方法，该方法包括：采用光谱域或扫频源光学相干层析术系统来扫描组织并且采集两帧光谱干涉图的框架；将Gabor滤波器分别与第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图进行卷积，从而分别获得第一帧Gabor卷积后的光谱干涉图和第二帧Gabor卷积后的光谱干涉图，其中，Gabor滤波器是基于组织表面深度来计算的；对第一帧Gabor卷积频谱干涉图和第二帧Gabor卷积频谱干涉图进行处理，得到其幅度曲线，分别得到第一帧Gabor卷积频谱干涉图幅度和第二帧Gabor卷积频谱干涉图幅度；获得第一帧Gabor卷积谱干涉图幅度值和第二帧Gabor卷积谱干涉图幅度值后，再通过减法计算差分幅度谱图像；和对差分Gabor卷积频谱干涉图幅值图像进行处理来生成正面血流图像，其中在未执行快速傅立叶变换和k空间重采样的情况下处理差分Gabor卷积频谱干涉图幅值图。在另一个方面，提供了一种用于通过光学相干层析术系统生成正面血管造影图像的系统，该系统包括：光谱域或扫频光学相干层析术系统；和光学相干层析术系统中的控制和处理电路，该控制和处理电路包括处理器和存储器，其中处理器执行存储在存储器中的指令以执行以下步骤：控制光学相干层析术系统对组织在空间区域内扫描并探测第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图的框架；通过减法来生成第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图的差分光谱干涉图；将Gabor滤波器与差分光谱干涉图帧进行卷积，从而获得Gabor卷积后的差分光谱干涉图，其中，Gabor滤波器是基于组织表面深度信息来生成的；和处理Gabor卷积后的差分光谱干涉图来生成正面血管图像，其中未执行快速傅立叶变换和k空间重采样。...

【技术保护点】
1.一种通过光学相干层析术系统生成正面血管造影图像的方法，该方法包括：/n采用光谱域或扫频源光学相干断层扫描系统来扫描包括组织表面的空间区域并在同一位置至少采集第一帧和第二帧光谱干涉图；/n通过利用第一帧光谱干涉图减小第二帧光谱干涉图来产生差分光谱干涉图；/n将Gabor滤波器与差分光谱干涉图帧进行卷积，从而获得Gabor卷积后的差分光谱干涉图帧，其中，Gabor滤波器是基于组织表面的深度信息在每个像素的基础上计算的；和/n通过处理Gabor卷积后的差分光谱干涉图来生成正面血管造影图像，其中未执行快速傅立叶变换和k空间重采样。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171116 US 62/587,2851.一种通过光学相干层析术系统生成正面血管造影图像的方法，该方法包括：
采用光谱域或扫频源光学相干断层扫描系统来扫描包括组织表面的空间区域并在同一位置至少采集第一帧和第二帧光谱干涉图；
通过利用第一帧光谱干涉图减小第二帧光谱干涉图来产生差分光谱干涉图；
将Gabor滤波器与差分光谱干涉图帧进行卷积，从而获得Gabor卷积后的差分光谱干涉图帧，其中，Gabor滤波器是基于组织表面的深度信息在每个像素的基础上计算的；和
通过处理Gabor卷积后的差分光谱干涉图来生成正面血管造影图像，其中未执行快速傅立叶变换和k空间重采样。


2.根据权利要求1所述的方法，其中通过为所述Gabor卷积的差分光谱干涉图的各个像素计算量化的差分光谱的统计信息来生成所述正面血管造影图像中每个像素的值。


3.根据权利要求1所述的方法，其中通过对所述Gabor卷积后的差分干涉光谱图计算基于差分光谱标准偏差来生成所述正面血管造影图像的像素值。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述组织表面的深度信息是从组织表面的空间特征来获得的并对应于所述差分光谱干涉图横向像素。


5.根据权利要求4所述的方法，所述组织表面的空间特征通过以下方式确定：
通过对样品不同位置的多次A扫描探测并采集各自的干涉图；
处理干涉图以确定这些位置处相应的表面深度；和
将所得表面深度值通过拟合的形式来获得整个组织表面的空间特征。


6.根据权利要求5所述的方法，对于视网膜表面使用的是球体模型。


7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述球体的直径在大约21至23mm之间。


8.根据权利要求5至7中的任一项所述的方法，其中，所述多个A扫描包括少于10次A扫描。


9.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，所述多个A扫描包括少于4个A扫描。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述A扫描子集定义为为接近所述组织表面的外围区域。


11.根据权利要求5所述的方法，对于所述皮肤组织表面，则其中所述模型形式是多项式方程。


12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多个A扫描包括少于100个A扫描。


13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多个A扫描包括少于30个A扫描。


14.根据权利要求4所述的方法，其中，使用表面轮廓检测系统来执行组织表面的空间表征。


15.根据权利要求1至14中的任一项所述的方法，进一步包括计算多个正面血管造影图像，和基于所述多个正面血管造影图像来生成视频显示。


16.根据权利要求1至15中的任一项所述的方法，其中，所述数据处理步骤的一部分是使用图形处理单元GPU执行的。


17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，对于所述差分光谱干涉图的子宽带，至少一个像素，用来执行卷积运算，从而减少了于卷积运算相关的计算时间。


18.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，对于所述差分光谱干涉图的至少一个像素执行卷积时时，可以对所述差分光谱干涉图和所述Gabor滤波器进行二次采样，从而减少与卷积运算相关的时间。


19.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，对于所述差分光谱干涉图的子带宽图像，至少一个像素。在进行卷积时，可以对子带宽干涉图和Gabor滤波器进行二次采样再进行卷积运算，从而减少了与卷积相关的计算时间。


20.根据权利要求1至16中的任一项所述的方法，其中，当执行卷积时，在连续的卷积步骤之间跳过一定像素数量来计算，并且其中跳跃像素的数量小于Gabor滤波器的核。


21.根据权利要求1至16中的任一项所述的方法，其中，执行所述跳跃卷积以使得所述差分光谱干涉图中的每个像素仅被采用一次。


22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中，所述正面血管造影图像作为第一幅正面血管造影图像，所述方法还包括：
计算第一光谱干涉图和第二光谱干涉图的绝对值，而得到第一绝对值光谱干涉图帧和第二绝对值光谱干涉图；
计算第一绝对值光谱干涉图和第二绝对值光谱干涉图在所有像素上的总和，从而获得绝对值光谱干涉图帧的总和，和
通过将第一张正面血管造影图像除以求和的绝对值光谱干涉图帧，获得抑制纹理噪声后的正面血管造影图像。


23.一种用于通过光学相干层析术生成正面血管造影图像的系统，该系统包括：
光谱域或扫频光学相干断层扫描系统；和
可以结合到光学相干断层扫描系统的控制和处理电路，该控制和处理电路包括处理器和存储器，其中处理器被配置为执行存储在存储器中的指令以执行以下步骤：
控制光学相干断层扫描系统对组织进行扫描并采集至少第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图；
通过减法来计算第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图的差分光谱干涉图；
将Gabor滤波器与差分光谱干涉图进行卷积，从而获得Gabor卷积后的差分光谱干涉图，其中，Gabor滤波器是基于组织表面的深度信息在每个像素的基础上计算的；和
处理Gabor卷积后的差分光谱干涉图以生成正面血管造影图像，其中未执行快速傅立叶变换和k空间重采样。


24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得通过针对所述Gabor卷积的差分光谱干涉图的像素计算量化的光谱统计信息来生成所述正面血管造影图像的像素值。


25.根据权利要求23所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得通过针对所述Gabor卷积后的差分光谱干涉图的光谱标准偏差来生成所述正面血管造影图像的像素值。


26.根据权利要求23至25中的任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得对于所述差分光谱干涉图的横向像素而言，所述组织表面的深度信息是通过组织表面的空间特性获得的。


27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得所述组织表面的空间特征由以下各步骤确定：
通过组织3D数据中提取不同位置的多次A扫描的干涉图；
处理干涉图以确定这些位置处的相应表面深度值；和
将表面深度值通过模型拟合以获得组织表面的空间特征。


28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使用球体模型来表征视网膜的表面信息。


29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得所述球体模型的直径在大约21mm与23mm之间。


30.根据权利要求27至29中任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使用的多个A扫描的数量包括少于10个A扫描。


31.根据权利要求27至29中任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得所述多个A扫描的数量包括少于4个A扫描。


32.根据权利要求27所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得所述模型形式是多项式方程。


33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得所述多个A扫描的数量包括少于100个A扫描。


34.根据权利要求32所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得所述多个A扫描的数量包括少于30个A扫描。


35.根据权利要求26所述的系统，还包括：
表面轮廓检测系统；
其中控制和处理电路被配置为使得使用表面轮廓检测系统来获取组织表面的空间表征。


36.根据权利要求23至35中任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为计算多个正面血管造影图像，并且基于多个正面血管造影图像生成视频并显示。


37.根据权利要求23至36中任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使用图形处理单元GPU来执行所述数据处理的至少一部分步骤。


38.根据权利要求23至37中的任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得对于所述差分频谱干涉图的子带宽图像，至少一个像素，执行卷积，从而减少与卷积相关的计算时间。


39.根据权利要求23至37中的任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得对于差分光谱干涉图和Gabor滤波器进行二次采样，至少一个像素，再进行卷积，从而减少与卷积相关的计算时间。


40.根据权利要求23至37中任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得对于所述差分光谱干涉图的子带频谱干涉图和Gabor滤波器都进行二次采样，至少一个像素，再执行卷积，从而减少了与卷积相关的计算时间。


41.根据权利要求23至37中的任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得当执行所述卷积时，在连续卷积步骤之间跳过一定的像素数量，并且其中所述跳过的像素数量为小于Gabor滤波器的内核。


42.根据权利要求23至37中的任一项所述的系统，其中，所述控制和处理电路被配置为使得执行卷积时使得所述差分光谱干涉图的每个像素仅被使用一次。


43.根据权利要求23至42中任一项所述的系统，其中，所得正面血管造影图像是第一正面血管造影图像，并且所述控制和处理电路被配置为执行附加操作，包括：
计算第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图的绝对值，得到第一帧绝对值光谱干涉图和第二帧绝对值光谱干涉图；
计算第一帧绝对值光谱干涉图和第二帧绝对值光谱干涉图在光谱像素上的总和，从而获得绝对光谱干涉图得总和；和
通过将第一正面血管造影图像除以绝对值光谱干涉图得总和，获得抑制纹理噪声后的正面血管造影图像。


44.一种通过光学相干断层扫描生成正面血管造影图像的方法，该方法包括：
采用光谱域或扫频源光学相干断层扫描系统来扫描包括组织表面的空间特性并至少采集第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图；
对第一帧光谱干涉图和第二帧光谱干涉图进行Gabor滤波器的卷积，从而分别获得第一帧Gabor卷积后的光谱干涉图和第二帧Gabor卷积的光谱干涉图，其中，Gabor滤波器是基于估计的组织表面深度来计算的；
分别对第一帧Gabor卷积频谱干涉图和第二帧Gabor卷积后的频谱干涉图进行处理得到得到第一帧Gabor卷积频谱干涉幅度图和第二帧Gabor卷积频谱干涉幅度图；
通过减去第一帧Gabor卷积谱干涉幅值图和第二帧Gabor卷积谱干涉幅值图生成差...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓东，陈朝良，
申请(专利权)人：杨晓东，陈朝良，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA