Способ визуализации областей объекта, содержащих микродвижения
METHOD OF VISUALIZING OBJECT AREAS CONTAINING MICROMOTIONS

Изобретение относится к способу получения и обработки изображений оптической интерферометрии (оптической когерентной томографии) с целью выделения и визуализации областей изображения, содержащих микродвижения. Изобретение может быть использовано для прижизненной визуализации и количественной оценки кровеносного русла биологических тканей, в том числе человеческих.
Для целей диагностики ряда заболеваний, в том числе онкологических, а также оценки, в том числе ранней, эффективности некоторых видов терапии важную роль играет информация о степени развития кровеносного русла в целевой области. Использование информации флуоресцентного имиджинга, либо рентгеновской ангиографии, либо спекл-контрастной регистрации позволяет осуществлять визуализацию двумерной карты микрососудов, однако построение трехмерной модели микроциркуляции этими методами представляется затруднительным. Технология оптической интерферометрии (оптической когерентной томографии, ОКТ) позволяет получать прижизненные трехмерные изображения структуры биологической ткани, что обусловливает возможность выделения трехмерной информации о микроциркуляции в биологической ткани.
Известен способ выделения и визуализации информации о микродвижениях (патент US 8180134, В2 МПК7 G06K 9/00, опубл. 15.05.2012), при котором информация о движении выделяется за счет использования эффекта вырождения изображений оптической интерферометрии по знаку задержки, возникающего в условиях регистрации комплексной амплитуды зондирующей волны при наличии доплеровского сдвига частоты при рассеянии на движущихся рассеивателях.
Недостатком известного способа является двукратное уменьшение эффективной глубины построения изображения и общая вычислительная сложность алгоритмов обработки.
Ближайшим аналогом разработанного способа является способ визуализации областей объекта, содержащих микродвижения, включающий регистрацию набора интерферограмм, при котором сканирование зондирующим лучом осуществляют последовательно в главном и перпендикулярном к главному направлениях, пересчет интерферограмм в набор двумерных изображений, вычисление корреляционного ангиографического изображения, проведение процедуры бинаризации с присвоением элементу изображения значения «1», если значение этого элемента превышает величину, установленную как уровень шума, и значения «0», если это условие не выполняется, и визуализацию полученного от перемножения бинарного массива данных корреляционного ангиографического изображения в виде цветовой или яркостной амплитуды (см. Joey Enfield, Enock Jonathan and Martin Leahy. «In vivo imaging of the microcirculation of the volar forearm using correlation mapping optical coherence tomography (cmOCT)» Joey Enfield, Enock Jonathan and Martin Leahy (Biomedical optics express, V. 2, I. 5, pp. 1184-1193)»).
В известном способе регистрируют по крайней мере два набора оптических спектров суммы интерферирующих волн, соответствующих одному поперечному срезу. При этом при регистрации каждого набора интерферограмм, соответствующих одному поперечному срезу, смещение зондирующего луча происходит вдоль главного направления, между регистрацией двух последовательных наборов интерферограмм смещение зондирующего луча в направлении, перпендикулярном главному, осуществляется не более чем на 0,2 диаметра зондирующего луча. Осуществляется пересчет интерферограмм в набор двумерных изображений с использованием преобразования Фурье. Осуществляется корреляционный анализ по крайней мере двух последовательно полученных двумерных изображений. При этом полагается, что наличие декорреляции (ненулевых элементов корреляционного изображения) обусловлено динамическими процессами, происходящими в объекте. Осуществляется бинаризация двумерного изображения: элементу изображения присваивается значение «1», если значение этого элемента превышает величину, установленную как уровень шума, и значение «0», если это условие не выполняется. Осуществляется перемножение бинаризованного двумерного изображения и корреляционного изображения. Производится визуализация полученного корреляционного ангиографического изображения в виде цветовой или яркостной амплитуды.
Однако изображения, получаемые при реализации такого подхода, оказываются чувствительными к наличию макродвижений как самого объекта исследования, так и корпуса зонда-сканера, что особенно актуально при реализации бесконтактной регистрации изображений (в медицинских приложениях - взаимные микродвижения оптических элементов зонда-сканера и исследуемого объекта, физиологически обусловленные движения отдельных структур в исследуемом объекте, не связанные с наличием кровотока). Чувствительность подхода к наличию макродвижений возрастает с увеличением времени между регистрацией последовательно получаемых двумерных изображений, что в конечном итоге приводит к необходимости реализации высокой скорости сканирования в главном направлении, в противном случае временной интервал между регистрацией двух последовательно получаемых наборов интерферограмм может быть достаточно большим, чтобы возникла существенная декорреляция двумерных изображений, обусловленная внешними причинами.
Техническим эффектом, на получение которого направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа визуализации областей объекта, содержащих микродвижения, позволяющего повысить точность и объективность получаемых данных.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе визуализации областей объекта, содержащих микродвижения, включающем регистрацию набора интерферограмм, при этом сканирование зондирующим лучом осуществляют последовательно в главном и перпендикулярном к главному направлениях, пересчет интерферограмм в набор двумерных изображений, вычисление корреляционного ангиографического изображения, проведение процедуры бинаризации с присвоением элементу изображения значения «1», если значение этого элемента превышает величину, установленную как уровень шума, и значения «0», если это условие не выполняется; визуализацию полученного от перемножения бинарного массива данных корреляционного ангиографического изображения в виде цветовой или яркостной амплитуды, сканирование вдоль главного направления осуществляют с шагом dx, соотносящимся с диаметром зондирующего пучка D как dx<0.25 D, вычисление корреляционного ангиографического изображении осуществляется следующим образом: двумерное структурное изображение ОКТ подвергают спектральному преобразованию вдоль координаты х, полученное распределение умножают на функцию окна, имеющую значение «0» в области низких частот и значение «1» в области частот, соответствующих скоростям движения, подлежащим визуализации; полученное двумерное спектральное распределение подвергается процедуре обратного преобразования Фурье.
Предлагаемый способ поясняется графическим материалом.
На фиг. 1 представлено типичное изображение ОКТ для модельной среды, содержащей область, рассеиватели которой находятся в движении.
На фиг. 2 представлен пространственный спектр изображения ОКТ по фиг. 1 в главном направлении. а - при малых значениях составляющей скорости в направлении оси зондирующего пучка, б - при больших значениях составляющей скорости в направлении оси зондирующего пучка либо при наличии движения в направлении, перпендикулярном направлению оси зондирующего пучка и направлению оси зондирующего пучка.
На фиг. 3 представлено схематичное изображение пространственной фильтрации изображения ОКТ по фиг. 1 в главном направлении. 1 - усредненный нормированный спектр стационарной области объекта, 2 - гауссовская аппроксимация нормированного спектра стационарной области объекта, 3 - уровень отсечки, 4 - форма режекционного фильтра.
На фиг. 4 представлен результат пространственной фильтрации изображения ОКТ по фиг. 1 в главном направлении.
На фиг. 5 представлен пример визуализации двумерного изображения ОКТ по фиг. 1 с окрашиванием области наличия движения по фиг. 4.
На фиг. 6 представлено проекционное изображение трехмерного распределения сосудов в тканях уха мыши линии BalbC. На части а фиг. 6 представлено фотографическое изображение, на части б фиг. 6 представлено изображение флуоресцентной микросокопии, на части в фиг. 6 представлено изображение, полученное как результат выделения сетки кровеносных сосудов в примере конкретной реализации способа визуализации областей объекта, содержащих микродвижения, на биологическом объекте.
Предлагаемое изобретение позволяет при использовании получить следующий технический эффект - повышение точности и объективности получаемых данных при визуализации областей объекта, содержащих микродвижения.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Производят регистрацию изображения оптической интерферометрии, для чего последовательно осуществляют регистрацию строковых элементов изображения оптической интерферометрии и изменение положения зондирующего луча на поверхности объекта исследования вдоль по крайней мере одного из двух направлений сканирования - главного и перпендикулярного ему. Для регистрации строковых элементов изображения зондирующее оптическое излучение направляется на объект исследования; рассеянное в обратном направлении на элементах структуры объекта исследования оптическое излучение регистрируется интерферометрическим образом; полученная информация передается для хранения и обработки на ЭВМ. Двух- и трехмерное изображение оптической интерферометрии получают комбинацией строковых элементов изображения в соответствии с алгоритмом сканирования.
Сканирование вдоль главного направления осуществляют с шагом dx, соотносящимся с диаметром зондирующего пучка D как dx<0.25 D, т.е. сканирование осуществляют с шагом, много меньшим диаметра зондирующего пучка, что обеспечивает неизотропность спекл-структуры, составляющей изображение (фиг. 1) - элементы становятся вытянутыми вдоль главного направления. При этом вследствие того что отдельные строки регистрируются в различные моменты времени, наличие динамики в отдельных областях объекта (выделено пунктиром на фиг. 1) приводит к наблюдаемому изменению поперечного масштаба отдельных элементов изображения.
Пространственный спектр в главном направлении стационарных областей изображения, представленного на фиг. 1, ограничен в силу малости шага сканирования и связанной с этим вытянутостью элементов изображения. В области изображения, в которой присутствует динамика, пространственный спектр в главном направлении испытывает уширение (фиг. 2,а), пропорциональное в общем случае скорости движения рассеивателей в объекте в направлении оси зондирующего пучка. При больших скоростях движения v (при которых на интервале между последовательной регистрацией двух интерферограмм t выполняется условие ) или поперечном его направлении пространственный спектр в главном направлении становится неограниченным в условиях регистрации (фиг. 2,б).
Уширение пространственного спектра в главном направлении в областях изображения, содержащих движение, позволяет осуществить вычисление корреляционного ангиографического изображения. Для этого осуществляют спектральное преобразование двумерного изображения вдоль главного направления, после чего производят фильтрацию двумерного изображения посредством перемножения полученного спектрального распределения и оконной функции режекционного фильтра, ширина которой определяется в общем случае шириной спектрального распределения, полученного для стационарной части исследуемого объекта (фиг. 3). Поскольку величина уширения элементов спекловой структуры изображения определяется величиной шага сканирования и свойствами используемого источника зондирующего излучения, процедура определения ширины режекционного фильтра может быть выполнена однократно на модельном объекте.
Полученное двумерное спектральное распределение подвергают процедуре обратного преобразования Фурье в главном направлении, в результате чего на изображении сохраняются только области, в которых фазовые смещения, обусловленные наличием движения, привели к уширению пространственного спектра в главном направлении (фиг. 4).
Визуализация ангиографического корреляционного изображения может осуществляться как отдельно (как показано на фиг. 4), так и на двумерном изображении посредством окрашивания либо выделения области двумерного изображения, совпадающей с областью наличия движения (как показано на фиг. 5).
Пример конкретной реализации способа визуализации областей объекта, содержащих микродвижения
Для конкретной реализации способа визуализации областей объекта, содержащих микродвижения, был выбран объект - ухо мыши линии BalbC.
Произвели регистрацию изображения оптической интерферометрии, для чего направили зондирующее излучение на объект исследования, осуществили последовательную регистрацию строковых элементов изображения оптической интерферометрии при изменении положения зондирующего луча на поверхности объекта исследования вдоль главного и перпендикулярного ему. Сканирование вдоль главного направления осуществляли с шагом dx, много меньшим диаметра зондирующего пучка D (dx<0.15 D). Полученный набор интерферограмм подвергли преобразованию Фурье в направлении оси зондирующего пучка, в результате чего получили двумерные изображения исследуемого объекта. Полученные изображения подвергли преобразованию Фурье в главном направлении. Полученные изображения были подвергнуты процедуре фильтрации посредством перемножения полученного спектрального распределения и оконной функции режекционного фильтра. Полученные двумерные спектральные распределения были подвергнуты процедуре обратного преобразования Фурье в главном направлении, в результате чего на полученном ангиографическом изображении сохранились только области, в которых было отмечено наличие микродвижений (фиг. 6.в). Полученные области соответствуют положению сосудов в исследуемом объеме. После бинаризации полученного ангиографического изображения и цветового кодирования элементов структурного изображения было произведено сопоставление взаимного расположения сосудов и структуры исследуемого объекта с его прямым фотографическим изображением (фиг. 6.а) и изображением, полученным с использованием флуоресцентной микроскопии (стериомикроскоп Axio Zoom.V16 (Zeiss, Germany) с флуорофором FITC, конъюгированном с декстраном 150 kD (Sigma, USA). Сравнение показало, что структурные элементы, представленные на изображении, полученном с использованием способа визуализации областей объекта, содержащих микродвижения, соответствуют сетке кровеносных сосудов в объекте исследования.