王浩，孟祥峰，劉艷珍，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

光學(xué)相干層析成像旋轉(zhuǎn)失真評(píng)價(jià)研究

王浩，孟祥峰，劉艷珍，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

光學(xué)相干層析成像（OCT）是內(nèi)窺鏡成像領(lǐng)域異軍突起的新方向，可以提供高分辨率的三維圖像。光纖探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得OCT可適應(yīng)多種淺表性疾病診斷的需求，在心血管、消化道、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)疾病等方面正在加速臨床轉(zhuǎn)化。圖像旋轉(zhuǎn)失真是OCT內(nèi)窺鏡的一個(gè)共性問題，反映了探頭機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量，對(duì)圖像的完整性影響很大，目前OCT圖像旋轉(zhuǎn)失真并沒有國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和測試方法。本文討論了OCT旋轉(zhuǎn)失真的特征，提出了基于圖像的定量評(píng)估方法，為完善OCT內(nèi)窺鏡的質(zhì)量控制提供了有用的參考。

醫(yī)用內(nèi)窺鏡；光學(xué)相干層析成像；旋轉(zhuǎn)失真；圖像處理；質(zhì)量控制

0 引言

光學(xué)相干層析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）誕生于1991年[1]，是生物醫(yī)學(xué)光學(xué)領(lǐng)域較為成熟和常見的一大類可用于臨床的技術(shù)，經(jīng)過20多年的發(fā)展，由時(shí)域發(fā)展到了頻域[2-5]，成像方式由傳統(tǒng)的體外檢查（眼科）演變出了不同規(guī)格和用途的介入式光纖探頭[4-7]，成像速度普遍提高到了100幀/s量級(jí)以上，最快可達(dá)4000幀/s[8]。隨著光源的發(fā)展和光路設(shè)計(jì)的進(jìn)步，分辨率由10 μm量級(jí)提高到了1 μm量級(jí)[9]，圖像細(xì)節(jié)日益豐富，可提供更多的病理信息。在內(nèi)窺成像領(lǐng)域，OCT的潛力巨大，國外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在心血管、消化道、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)等方面[10-14]積極開展臨床試驗(yàn)和推廣，部分產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化，國內(nèi)也有科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在跟進(jìn)。

目前，OCT內(nèi)窺成像的空間掃描主要通過機(jī)電裝置控制光纖探頭進(jìn)行螺旋式后退實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成像過程中，由于控制精度、穩(wěn)定性、摩擦力、扭矩等方面的問題或故障，探頭運(yùn)動(dòng)的周期性和連續(xù)性不理想，對(duì)應(yīng)的圖像失真叫做旋轉(zhuǎn)失真，是OCT內(nèi)窺成像的重要誤差來源，也是評(píng)價(jià)機(jī)電裝置運(yùn)動(dòng)和控制性能的重要參數(shù)。

目前，醫(yī)療器械質(zhì)控領(lǐng)域缺乏評(píng)價(jià)OCT圖像旋轉(zhuǎn)失真的方法。OCT內(nèi)窺成像領(lǐng)域當(dāng)前并沒有對(duì)應(yīng)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)。OCT領(lǐng)域唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16971-2015[15]也僅針對(duì)眼科成像（體外掃描）?，F(xiàn)有的對(duì)于OCT旋轉(zhuǎn)失真的評(píng)價(jià)借鑒血管內(nèi)超聲的做法[16]，通過在體模上每隔45°進(jìn)行一個(gè)標(biāo)記，評(píng)估實(shí)際圖像中標(biāo)記的偏移量來進(jìn)行。由于不同OCT探頭尺寸、形狀、參數(shù)設(shè)定各有差別，設(shè)計(jì)通用體模檢測旋轉(zhuǎn)失真的難度較大，不適合推廣。OCT學(xué)術(shù)界在開發(fā)運(yùn)動(dòng)偽影校正算法時(shí)關(guān)注相鄰圖像之間的相似性，提供了有益的啟示[17-20]。

為了探討通過圖像分析直接評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)失真的可行性，本文通過實(shí)驗(yàn)觀察了OCT成像中的旋轉(zhuǎn)失真現(xiàn)象，針對(duì)相鄰圖像直接的相似性，計(jì)算了幀內(nèi)相鄰掃描線之間以及相鄰兩幀圖像之間的差異，比對(duì)了旋轉(zhuǎn)失真的不同量化表述方法，對(duì)于完善OCT內(nèi)窺系統(tǒng)的質(zhì)控和促進(jìn)我國OCT內(nèi)窺成像技術(shù)的發(fā)展提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 基本數(shù)學(xué)表述和實(shí)際應(yīng)用案例

理論上，OCT探頭應(yīng)進(jìn)行勻速螺旋運(yùn)動(dòng)。在每一幀OCT二維圖像上，如果以O(shè)CT探頭為柱坐標(biāo)系原點(diǎn)，那么不同的OCT軸掃描線（A-line）對(duì)應(yīng)不同的角度。以常見的掃頻（Swept Source）OCT內(nèi)窺系統(tǒng)為例，成像過程應(yīng)滿足以下關(guān)系：

其中，vA是光源的掃描頻率（單位：Hz），N是每一幀圖像的軸掃描線數(shù)，vr是探頭旋轉(zhuǎn)的速度（單位：轉(zhuǎn)/s）。兩幅圖對(duì)應(yīng)的螺距P滿足：

其中，vp為水平后退的速度。

公式(1)、(2)是描述探頭運(yùn)動(dòng)的基本公式。圖像旋轉(zhuǎn)失真在數(shù)學(xué)本質(zhì)上意味著不符合公式(1)。旋轉(zhuǎn)失真圖像典型案例，見圖1。兩個(gè)例子的共同特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)失真區(qū)域與周圍正常圖像之間有突變。本文的體模實(shí)驗(yàn)需要捕捉類似的突變，以分析圖像特征。

圖1 旋轉(zhuǎn)失真圖像典型案例

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)使用聚乙烯和硅膠制作而成的軟管充當(dāng)體模，近似模擬人體內(nèi)部的空腔結(jié)構(gòu)（例如血管、氣管等），其內(nèi)徑范圍為1～2 mm，厚度為200～400 μm，長度為50 cm。

1.3 儀器與方法

本實(shí)驗(yàn)使用商用掃頻OCT內(nèi)窺系統(tǒng)配合光纖探頭進(jìn)行測量，OCT光源的頻率為40 kHz，波長掃描范圍為1250～1370 nm。每幀圖像包含1024條掃描線，探頭每秒鐘旋轉(zhuǎn)39次，因而系統(tǒng)成像速度為39幀/s。OCT探頭遠(yuǎn)端采用球透鏡設(shè)計(jì)，焦距為1 mm，橫向空間分辨率為30 μm，軸向空間分辨率為14 μm。探頭外面有透明塑料保護(hù)鞘，厚度約100 μm，外徑800 μm。OCT體模成像實(shí)驗(yàn)示意圖，見圖2。

圖2 OCT體模成像實(shí)驗(yàn)示意圖

在實(shí)驗(yàn)中，保護(hù)鞘和體模位置固定，探頭以10 mm/s的速度后撤，同時(shí)每秒旋轉(zhuǎn)39轉(zhuǎn)，從而對(duì)體模內(nèi)部進(jìn)行三維螺旋掃描，以模擬OCT在組織中的成像過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定，探頭旋轉(zhuǎn)的角分辨率為2pi/1024，對(duì)應(yīng)體模上的圓弧長度為6～12 μm，低于橫向空間分辨率（30 μm），這意味著相鄰兩條掃描線對(duì)應(yīng)的組織存在重疊，掃描線本身的相關(guān)系數(shù)較高。為增加探頭運(yùn)動(dòng)的阻力和需要的扭矩，體模軟管經(jīng)過一定的彎曲處理，曲率半徑最小為1 cm。

圖3 旋轉(zhuǎn)失真評(píng)價(jià)方法示意圖

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

為規(guī)范數(shù)據(jù)格式，本文在柱坐標(biāo)系下（原始OCT圖像為矩形而不是圓形）提出兩種評(píng)估旋轉(zhuǎn)失真的思路，分別為幀內(nèi)2-范數(shù)評(píng)估法和幀間2-范數(shù)評(píng)估法，其原理見圖3。N為每一幀的掃描線數(shù)，M為每條掃描線上的采樣點(diǎn)數(shù)，Aj指的是第j條掃描線。

幀內(nèi)2-范數(shù)評(píng)估法指的是在每一幀圖像里，計(jì)算相鄰兩條掃描線之差的2-范數(shù)，根據(jù)相鄰掃描線的變化來跟蹤旋轉(zhuǎn)失真，由以下公式定義：

其中，Ij為第j條掃描線與第j+1條掃描線之差的2-范數(shù)，ai,j為第j條掃描線上第i個(gè)采樣點(diǎn)，以此類推，最終Ij會(huì)組成一個(gè)矢量VI。幀內(nèi)旋轉(zhuǎn)失真通過兩種不同途徑進(jìn)行評(píng)價(jià)：一是直接取VI的最大值VImax（幀內(nèi)最大），作為每一幀內(nèi)旋轉(zhuǎn)失真的最大值；二是直接求VI的2-范數(shù)VIN2（幀內(nèi)總體），作為每一幀內(nèi)旋轉(zhuǎn)失真的總體估計(jì)（也等效于平均值）。

幀間2-范數(shù)評(píng)估法指的是在相鄰圖像之間，計(jì)算相同角度對(duì)應(yīng)兩條掃描線之差的2-范數(shù)，根據(jù)幀間對(duì)應(yīng)位置掃描線的變化來跟蹤旋轉(zhuǎn)失真，由以下公式定義：

其中，Bj為第j條掃描線與下一幀第j條掃描線之差的2-范數(shù)。Bj最終組成一個(gè)矢量VB。與上面類似，幀間旋轉(zhuǎn)失真也通過VB的最大值VBmax（幀間最大）和2-范數(shù)VBN2（幀間總體）分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在進(jìn)行計(jì)算之前，所有圖像預(yù)先進(jìn)行平滑濾波，以消除環(huán)境中的高頻或脈沖噪聲等對(duì)圖像的干擾。

2 結(jié)果

2.1 體模中的旋轉(zhuǎn)失真圖像

在實(shí)驗(yàn)中，OCT旋轉(zhuǎn)失真現(xiàn)象多次被觀察到，見圖4。

圖4 聚乙烯軟管OCT圖像對(duì)比

2.2 旋轉(zhuǎn)失真評(píng)估結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采集了硅膠軟管體模的560幀連續(xù)圖像，根據(jù)公式(3)～(6)分別計(jì)算了幀內(nèi)最大、幀內(nèi)總體、幀間最大、幀間總體四個(gè)矢量各自除以各自的最大值，得到歸一化曲線的對(duì)比，見圖5。

圖5 硅膠體模圖像的旋轉(zhuǎn)失真評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討論

從圖5的趨勢(shì)來看，幀內(nèi)最大和幀內(nèi)總體兩種方法反映的旋轉(zhuǎn)失真情況截然不同，需要進(jìn)行具體討論，以61幀和178幀的對(duì)比為例，見圖6。

圖6(a)顯示的是第61幀，其成因是成像過程中，OCT光線受到雜質(zhì)碎屑的阻擋，在圖像上形成了偽影（黃色星號(hào)標(biāo)記）。圖6(b)顯示的是第178幀，在0點(diǎn)鐘方向明顯有旋轉(zhuǎn)失真造成的圖像突變（黃色星號(hào)標(biāo)記）。肉眼觀察下兩幀均呈現(xiàn)類似的突變，但是幀內(nèi)最大有明顯的不同，前者為0.29，后者為1（幀內(nèi)最大曲線的峰值）。究其原因，前者由于光線的繞射，在被阻擋區(qū)域和正常管壁之間依然存在過渡，后者直接出現(xiàn)突變，這說明幀內(nèi)最大有助于區(qū)分旋轉(zhuǎn)失真和由于光線阻擋造成的偽影。相反，61幀和178幀的幀內(nèi)總體差別不大，分別為0.91和1，這說明由于平均效應(yīng)，幀內(nèi)總體難以捕捉旋轉(zhuǎn)失真的變化。

圖6 不同位置的圖像對(duì)比

另一方面，幀間總體和幀間最大兩種評(píng)價(jià)結(jié)果曲線與幀內(nèi)最大有較大差異，尖峰很多。經(jīng)過檢查具體圖像，發(fā)現(xiàn)這兩種評(píng)價(jià)結(jié)果反映的主要是組織不同位置之間的差異，而不是旋轉(zhuǎn)失真本身，以第270和271幀為例（圖7），對(duì)應(yīng)的幀間總體和幀間最大分別為0.80和0.70?？梢钥闯?，兩個(gè)圖像自身并沒有明顯的旋轉(zhuǎn)失真，組織本身差異較大，尤其是6點(diǎn)鐘方向。本次實(shí)驗(yàn)中探頭后退的螺距為256 μm（10 mm除以39），意味著兩幅圖的間距已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光斑直徑（30 μm），所以對(duì)應(yīng)體模中的位置已有明顯偏差，與成像結(jié)果相吻合。因此，幀間總體和幀間最大在這種設(shè)定下難以用于評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)失真。在實(shí)際的醫(yī)學(xué)成像過程中，為縮短診斷時(shí)間，提升患者舒適度，探頭后退速度和旋轉(zhuǎn)速度都在不斷提升，但縮小螺距本身依然面臨很大困難，這意味著幀間評(píng)價(jià)方式同樣很難應(yīng)用。

圖7 幀間對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過體模實(shí)驗(yàn)和圖像分析，對(duì)OCT內(nèi)窺成像中的旋轉(zhuǎn)失真問題采用了四種不同方法進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在本實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定下，可以通過求解幀內(nèi)最大來評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)失真的程度，這為下一步結(jié)合生物組織實(shí)驗(yàn)和不同具體探頭來評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)失真提供了有用的依據(jù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明圖像的幀間差異主要由體模/組織自身在不同空間位置的差異所導(dǎo)致，與旋轉(zhuǎn)失真關(guān)聯(lián)較弱。這些結(jié)果對(duì)于OCT內(nèi)窺成像的質(zhì)控提供了有價(jià)值的參考，為旋轉(zhuǎn)失真進(jìn)一步的定量研究打下了基礎(chǔ)。

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Study on the Evaluation of Rotational Distortion in Optical Coherence Tomography

WANG Hao, MENG Xiang-feng, LIU Yan-zhen, REN Hai-ping
Division of Active Medical Device and Medical Optics, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Optical coherence tomography (OCT) is an emerging branch of medical endoscopy, which can rapidly acquire high-resolution 3D images. The advancement of OCT catheter design enables OCT for the diagnostics of various diseases near tissue surface. The clinical translation of OCT is accelerating in many felds such as cardiovascular diseases, gastrointestinal diseases, pulmonary diseases and urinary diseases. Rotation distortion (RD) is a common problem with OCT endoscopy, which reveals the mechanical properties of the catheter and may severely deteriorate the integrity of images. Currently, no standard provides defnition or testing method for RD. In this paper, the characteristic of RD was discussed and a quantitative method to evaluate RD was proposed. The results provided useful reference for the quality control of OCT endoscopy.

medical endoscopy; optical coherence tomography; rotational distortion; image processing; quality control

TH776+.1；TN247

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.008

1674-1633(2016)07-0026-04

2016-04-26

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAI43H00），中國食品藥品檢定研究院中青年基金項(xiàng)目（2015C02）。

任海萍，中國食品藥品檢定研究院光機(jī)電室主任，主任技師。主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程，醫(yī)療器械檢定。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn