Способ ангиографии в эндоскопической оптической когерентной томографии
ANGIOGRAPHY METHOD IN ENDOSCOPIC OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY

Предлагаемое изобретение относится к области измерений для диагностических целей, в частности измерений для оценки состояния сердечно-сосудистой системы, и может быть использовано в медицине и ветеринарии при проведении медицинских обследований внутренних полостей или трубовидных органов тела путем осмотра с применением эндоскопов.
Оптическая когерентная томографии - быстро развивающийся метод медицинской визуализации. Поскольку основным преимуществом метода оптической когерентной томографии является пространственное разрешение на уровне единиц микрон, чаще всего этот метод ассоциируется с высококачественными изображениями внутренней структуры исследуемого объекта. Однако, диагностическая ценность оптической когерентной томографии может быть существенно расширена за счет способов обработки интерференционного сигнала, позволяющих получать не только структурные изображения исследуемого биологического объекта или его отдельной части, но и функциональные изображения. Примерами таких изображений могут служить: ангиограммы - контрастные изображения кровеносных сосудов и доплеровские картограммы - изображения, на которых направления и скорости движения потоков крови закодированы оттенками цветов. Методы ангиографии в оптической когерентной томографии можно разделить на: основанные на анализе амплитуды сигнала, основанные на анализе фазы сигнала, основанные на комплексном анализе интерференционного сигнала (т.е. изменений в фазе, амплитуде, зашумляющих сигнал спекл-структурах и т.п.).
По патенту US 20170035286 А1, МПК А61В 3/00, А61В 3/12, G06T 7/00 и А61В 3/10, опубл. 09.02.2017 г. известен способ улучшенной визуализации сосудов при ангиографии в оптической когерентной томографии, включающий в себя: сбор исходных данных (интерференционных сигналов) для множества поперечных положений глаза; обработку исходных данных для определения и контрастирования движений (смещений); использование информации о движениях для идентификации одного или нескольких сосудов; обработку исходных данных для определения одной или нескольких неподвижных, т.е. опорных поверхностей в ткани; анализ ориентации одного или нескольких сосудов относительно одной или нескольких опорных поверхностей; идентификацию сосудов представляющих диагностический интерес на основе их ориентации относительно одной или нескольких опорных поверхностей; сохранение или визуализацию сосудов, представляющих диагностический интерес. Известны варианты известен способ улучшенной визуализации сосудов при ангиографии в оптической когерентной томографии в которых: стадия анализа ориентации одного или нескольких сосудов включает в себя определение метрики между одним или несколькими сосудами и одной или несколькими поверхностями; имеется дополнительная стадия отображения и визуализации метрик; перед стадией анализа ориентации одного или нескольких сосудов имеется дополнительная стадия уменьшения артефактов ("хвостов") декорреляции; представляющие диагностический интерес сосуды отображают в виде цветного изображения; имеется дополнительная стадия идентификации представляющих диагностический интерес областей, содержащих множество сосудов, при этом идентификации производится на основе информации об ориентации этих сосудов; представляющие диагностический интерес сосуды идентифицируются, как пересекающие одну и ту же плоскость.
Способ улучшенной визуализации сосудов при ангиографии в оптической когерентной томографии предназначен для эффективного предоставления потенциально значимой диагностической информации врачу. Техническим результатом способа является удобство и качество визуализации кровеносных сосудов в оптической когерентной томографии
Недостатком данного способа является невысокое качество получаемых ангиограмм, вызванное тем, что для идентификации кровеносных сосудов используется только информация о движениях в исследуемой области, т.е. только фазовые сдвиги в спектре обратного рассеяния для интерференционного сигнала.
По патенту US 9984459 В2, МПК G06T 7/00 и А61В 5/00, опубл. 29.05.2018 г. способ получения ангиограмм в оптической когерентной томографии с оптимизированной процедурой обработки сигнала, включающий в себя: вычисление значений коэффициентов для каждого из множества структурных изображений в оптической когерентной томографии сформированных из интерференционных сигналов, которые в свою очередь получены при многократном последовательном сканировании некоторого участка исследуемого биологического объекта, значения коэффициентов рассчитываются на основе сравнения соответствующих пикселей последовательности структурных изображений оптической когерентной томографии, производится формирование ангиографических изображений на основе значений этих коэффициентов, полученные ангиографические изображения сохраняются и визуализируются, при этом значения коэффициентов пересчитываются путем деления значения интенсивности для первого пикселя структурного изображений полученного в оптической когерентной томографии в первый раз на значение второго пикселя того же структурного изображения, но полученного во второй раз. Известны варианты способа получения ангиограмм в оптической когерентной томографии с оптимизированной процедурой обработки сигнала в которых: значения коэффициентов вычисляются как функция, аргументом которой является отношение двух интенсивностей; отношение двух интенсивностей вычисляется как разность между данными об интенсивности, представленными в логарифмической шкале для двух структурных изображений в оптической когерентной томографии; значения коэффициентов вычисляются на основе отношения двух интенсивностей; значения коэффициентов эквиваленты отношениям пары или пар интенсивностей структурных изображений, пересчитанным много раз подряд; значения коэффициентов вычисляют по меньшей мере два раза подряд; дополнительно содержится стадия усреднения значений коэффициентов для отдельного пикселя; дополнительно содержится стадия усреднения значений до момента выполнения некоторого критерия, а также исключения значений коэффициентов не соответствующих некоторому критерию; усреднения производятся по А-сканам; дополнительно содержится стадия фильтрации структурных изображений перед формированием ангиографических изображений; обрабатываются только пиксели, значения интенсивностей для которых выше некоторого порогового уровня; А-сканы регистрируются с частотой от 25 до 800 кГц.
Способ получения ангиограмм в оптической когерентной томографии с оптимизированной процедурой обработки сигнала предназначен для визуализации сосудов сетчатки глаза. Техническим результатом способа является повышение качества визуализации кровеносных сосудов в оптической когерентной томографии.
Недостатком данного способа является невысокое качество получаемых ангиограмм, вызванное тем, что для идентификации кровеносных сосудов используется только информация об интенсивности отдельных составляющих интерференционного сигнала.
По патенту US 20160317020 А1, МПК А61В 3/00, А61В 3/12 и G01B 9/02, опубл. 03.11.2016 г. известен способ ангиографии в оптической когерентной томографии на основе фазовых градиентов, включающий в себя: разбиение первого и второго структурных изображений (В-сканов) на отдельные А-сканы, преобразование каждого А-скана для первого и второго структурных изображений в наборы данных, как функции по глубине, вычисление массива разностей фаз для наборов данных, как функций по глубине, вычисление массива фазовых градиентов на основе массива разности фаз. Известны варианты способа ангиографии в оптической когерентной томографии на основе фазовых градиентов в которых: для преобразования каждого А-скана для первого и второго структурных изображений в наборы данных, как функции по глубине используется быстрое преобразование Фурье; сосудистый кровоток визуализируется в оптической когерентной томографии с перестраиваемым лазером в качестве источника излучения; вычисление массива фазовых градиентов производится по следующей формуле:
где PG - осевой фазовый градиент, Δφ(х, z) - разность фаз, х - латеральная координата, z - координата по глубине,  - фазовая неопределенность, N - количество отсчетов;
дополнительно содержится этап на котором вычисляют массивы амплитуд для наборов данных, как функций по глубине для первого и второго структурных изображений; дополнительно на основе массива амплитуд и массива фазовых градиентов вычисляется комбинированный сигнал; комбинированный сигнал вычисляется с использованием следующей формулы:
где A(x,z) - массив амплитуд, р - безразмерный коэффициент для масштабирования фазовых градиентов;
дополнительно вычисляется функция декорреляции с использованием следующий формулы:
где X - количество усредненных кадров.
Способ ангиографии в оптической когерентной томографии на основе фазовых градиентов предназначен для визуализации кровотока в хориоидальной области и в целом сетчатке глаза с помощью оптической когерентной томографии. Техническим результатом способа является повышение значения отношения сигнал/шум для контрастных изображений сосудов (ангиограмм)
Недостатком данного способа является невысокое качество получаемых ангиограмм, вызванное тем, что для идентификации кровеносных сосудов используется только анализ фазы сигнала и амплитудной декорреляции его спектра.
Ближайшим аналогом (прототипом) разработанного способа является способ реверсивной функциональной оптической когерентной томографии (патент US 20150092195 А1, МПК G01B 9/02, А61В 3/10 и А61В 5/026, опубл. 02.06.2015 г.), включающий в себя: получение первого набора данных оптической когерентной томографии содержащего результаты многократных сканирований участка исследуемого объекта под первым углом, получение второго набора данных оптической когерентной томографии содержащего результаты многократных сканирований того же участка исследуемого объекта, но под вторым углом, определение характеристик движения аксиально направленного потока на основе анализа первого набора данных, определение характеристик движения аксиально направленного потока на основе анализа второго набора данных, вычисление действительного направления движения потока на основе комбинации найденных ранее двух вариантов характеристик движения аксиально направленного потока, визуализацию или сохранение полученных результатов. Известны варианты способа реверсивной функциональной оптической когерентной томографии в которых: используется система оптической когерентной томографии с перестраиваемым лазером в качестве источника излучения; используется система спектральной оптической когерентной томографии; используется система допплеровской оптической когерентной томографии с фазовым разрешением, и характеристики аксиального потока определяются путем вычисления разности фаз между двумя или более измерениями, выполненными для одного и того же участка исследуемого биологического объекта.
Способ реверсивной функциональной оптической когерентной томографии предназначен для получения совмещенных изображений о кровеносных сосудах (ангиограммы) и потоках в них (доплеровские картограммы).Техническим результатом способа является повышение достоверности количественной и качественной информации о потоках в исследуемом биологическом объекте.
Недостатком данного способа является невысокое качество визуализации потоков крови, вызванное тем, что для идентификации кровеносных сосудов и потоков крови в них используется только информация о фазовых сдвигах в спектре обратного рассеяния для интерференционного сигнала.
Технической задачей способа является повышение качества ангиограмм получаемых в эндоскопической оптической когерентной томографии за счет использования комплексного подхода к анализу интерференционного сигнала, включающего в себя не только анализ фазы сигнала, но анализ спекл-структур.
Поставленная техническая задача достигается тем, что способ ангиографии в эндоскопической оптической когерентной томографии, также как и способ, который является ближайшим аналогом, включает получение набора данных оптической когерентной томографии содержащего результаты многократных сканирований участка исследуемого биологического объекта, определение характеристик движения потока на основе анализа набора данных, вычисление действительного направления движения потока на основе комбинации характеристик движения потока, визуализацию или сохранение полученных результатов, причем характеристики потока определяются путем вычисления разности фаз между двумя или более измерениями, выполненными для одного и того же участка исследуемого биологического объекта.
Новым в разработанном способе ангиографии в эндоскопической оптической когерентной томографии является то, что набор данных, представляет собой совокупность интерференционных сигналов, полученных через равные промежутки времени под одним и тем же углом сканирования и достаточных для построения структурных изображений участка исследуемого объекта в эндоскопической оптической когерентной томографии, перед определением характеристик потока путем вычисления разности фаз между интерференционными сигналами, соответствующими двум или более структурными изображениям, производится предварительная обработка всех интерференционных сигналов набора данных посредством порогового ограничения с заданным пороговым уровнем интерференционного сигнала и полосовой фильтрации с заданными нижней и верхней частотами среза полосового фильтра, на основе выявленных характеристик потока, генерируется контрастное изображение кровеносных сосудов по результатам вычисления разности фаз, независимо производится повторное определение характеристик потока путем анализа флуктуаций спекл-структур между интерференционными сигналами, соответствующими двум или более структурным изображениям, причем предварительно выполняется фильтрация всех структурных изображений посредством свертки с заданным ядром свертки, а это ядро свертки подбирается таким образом, чтобы обеспечить повышения контраста спекл-структур, на основе выявленных характеристик потока генерируется контрастное изображение кровеносных сосудов по результатам анализа флуктуаций спекл-структур, ангиограмма формируется посредством усреднения двух контрастных изображений, характеризующих местоположения кровеносных сосудов и сгенерированных, соответственно, по результатам вычисления разности фаз и анализа флуктуаций спекл-структур, производится обработка полученной ангиограммы фильтром высокого динамического диапазона, причем характеристики этого фильтра подбираются таким образом, чтобы обеспечить дополнительное повышение контраста кровеносных сосудов на ангиограмме перед ее визуализацией или сохранением.
На фиг. 1 в виде блок-схемы проиллюстрирована последовательность действий при получении ангиограмм в эндоскопической оптической когерентной томографии в соответствии с формулой изобретения. Рассмотрим подробнее сущность предложенного способа (фиг. 1) с использованием конкретных примеров.
Производится получение набора данных эндоскопической оптической когерентной томографии, представляющего собой совокупность В-сканов (т.е. структурных изображений) полученных для одного и того же участка исследуемой ткани под одним и тем же углом сканирования, но через равные короткие промежутки времени.
Полученный набор данных эндоскопической оптической когерентной томографии для удаления различных шумов подвергается предварительной обработке. Эта обработка представляет собой пороговое ограничение с заданным порогом интенсивности интерференционного сигнала и полосовую фильтрацию (например, фильтром Баттерворта 5-го порядка) с заданными верхней частотой среза полосового фильтра и нижней частотой среза полосового фильтра.
Далее производится локализация, т.е. определение местоположений кровеносных сосудов по фазовым сдвигам в интерференционных сигналах, соответствующих структурным изображениям одного и того же участка исследуемой ткани под одним и тем же углом сканирования, но через равные короткие промежутки времени. Это действие может быть, например, выполнено с помощью автокорреляционной функции Касаи:
где  - среднее изменение фазы комплексного сигнала;  - количество анализируемых А-сканов;  - порядковый номер А-скана;  и  - действительная и мнимая части комплексного сигнала
Далее для повышения эффективности определение местоположений кровеносных сосудов по флуктуациям спекл-структур производится увеличение их контраста. Для этого структурные изображения из набора данных эндоскопической оптической когерентной томографии подвергают фильтрации посредством свертки, т.е. обрабатывают с использованием ядра свертки, специально предназначенного для повышения контраста мелких деталей на изображении. Например, можно использовать матрицу конволюции (ядро свертки) следующего вида:
После увеличения контраста спекл-структур производится определение местоположений кровеносных сосудов по их флуктуациям. Это действие можно осуществить, например, посредством оценки дисперсии спеклов по следующей формуле:
где Fr - количество анализируемых фреймов (В-сканов);  - соответственно, индекс текущего фрейма и две координаты пикселя в этом фрейме.
Изображения кровеносных сосудов, полученные посредством анализа фазовых сдвигов и флуктуаций спекл-структур усредняются для формирования ангиограммы. Полученная ангиограмма для дополнительного повышения контраста кровеносных сосудов подвергается обработке фильтром высокого динамического диапазона. Результирующее изображение визуализируется посредством пользовательского интерфейса, т.е. выводится конечному пользователю в удобной для него форме, например, в графическом формате на дисплее ноутбука.
Серия компьютерных и физических экспериментов показала, что повышение качества ангиограмм в эндоскопической оптической когерентной томографии при использовании предложенного способа составило более 23% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о выполнении поставленной технической задачи.
Предлагаемый способ ангиографии в эндоскопической оптической когерентной томографии может быть использован в медицине и ветеринарии для получения контрастных изображений капиллярной сети, стенок дыхательных путей, отдельных участков глаза, слизистых оболочек полости рта, желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы и т.п.