王浩，孟祥峰，劉艷珍，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機電室，北京 100050

光學相干層析成像旋轉(zhuǎn)失真評價研究

王浩，孟祥峰，劉艷珍，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機電室，北京 100050

光學相干層析成像（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，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)窺鏡的一個共性問題，反映了探頭機械設(shè)計的質(zhì)量，對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)外標準和測試方法。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

光學相干層析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）誕生于1991年[1]，是生物醫(yī)學光學領(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量級以上，最快可達4000幀/s[8]。隨著光源的發(fā)展和光路設(shè)計的進步，分辨率由10 μm量級提高到了1 μm量級[9]，圖像細節(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]積極開展臨床試驗和推廣，部分產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化，國內(nèi)也有科研機構(gòu)和企業(yè)在跟進。

目前，OCT內(nèi)窺成像的空間掃描主要通過機電裝置控制光纖探頭進行螺旋式后退實現(xiàn)。在實際的系統(tǒng)設(shè)計和成像過程中，由于控制精度、穩(wěn)定性、摩擦力、扭矩等方面的問題或故障，探頭運動的周期性和連續(xù)性不理想，對應(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，也是評價機電裝置運動和控制性能的重要參數(shù)。

目前，醫(yī)療器械質(zhì)控領(lǐng)域缺乏評價OCT圖像旋轉(zhuǎn)失真的方法。OCT內(nèi)窺成像領(lǐng)域當前并沒有對應(yīng)的國內(nèi)外標準。OCT領(lǐng)域唯一的國際標準ISO 16971-2015[15]也僅針對眼科成像（體外掃描）?，F(xiàn)有的對于OCT旋轉(zhuǎn)失真的評價借鑒血管內(nèi)超聲的做法[16]，通過在體模上每隔45°進行一個標記，評估實際圖像中標記的偏移量來進行。由于不同OCT探頭尺寸、形狀、參數(shù)設(shè)定各有差別，設(shè)計通用體模檢測旋轉(zhuǎn)失真的難度較大，不適合推廣。OCT學術(shù)界在開發(fā)運動偽影校正算法時關(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價旋轉(zhuǎn)失真的可行性，本文通過實驗觀察了OCT成像中的旋轉(zhuǎn)失真現(xiàn)象，針對相鄰圖像直接的相似性，計算了幀內(nèi)相鄰掃描線之間以及相鄰兩幀圖像之間的差異，比對了旋轉(zhuǎn)失真的不同量化表述方法，對于完善OCT內(nèi)窺系統(tǒng)的質(zhì)控和促進我國OCT內(nèi)窺成像技術(shù)的發(fā)展提供了參考。

1 實驗材料和方法

1.1 基本數(shù)學表述和實際應(yīng)用案例

理論上，OCT探頭應(yīng)進行勻速螺旋運動。在每一幀OCT二維圖像上，如果以O(shè)CT探頭為柱坐標系原點，那么不同的OCT軸掃描線（A-line）對應(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)是描述探頭運動的基本公式。圖像旋轉(zhuǎn)失真在數(shù)學本質(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。兩個例子的共同特點是旋轉(zhuǎn)失真區(qū)域與周圍正常圖像之間有突變。本文的體模實驗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 實驗材料

本實驗使用聚乙烯和硅膠制作而成的軟管充當體模，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

本實驗使用商用掃頻OCT內(nèi)窺系統(tǒng)配合光纖探頭進行測量，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探頭遠端采用球透鏡設(shè)計，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鞘，厚度約100 μm，外徑800 μm。OCT體模成像實驗示意圖，見圖2。

圖2 OCT體模成像實驗示意圖

在實驗中，保護鞘和體模位置固定，探頭以10 mm/s的速度后撤，同時每秒旋轉(zhuǎn)39轉(zhuǎn)，從而對體模內(nèi)部進行三維螺旋掃描，以模擬OCT在組織中的成像過程。根據(jù)實驗參數(shù)設(shè)定，探頭旋轉(zhuǎn)的角分辨率為2pi/1024，對應(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。為增加探頭運動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)失真評價方法示意圖

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

為規(guī)范數(shù)據(jù)格式，本文在柱坐標系下（原始OCT圖像為矩形而不是圓形）提出兩種評估旋轉(zhuǎn)失真的思路，分別為幀內(nèi)2-范數(shù)評估法和幀間2-范數(shù)評估法，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數(shù)，Aj指的是第j條掃描線。

幀內(nèi)2-范數(shù)評估法指的是在每一幀圖像里，計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個采樣點，以此類推，最終Ij會組成一個矢量VI。幀內(nèi)旋轉(zhuǎn)失真通過兩種不同途徑進行評價：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（也等效于平均值）。

幀間2-范數(shù)評估法指的是在相鄰圖像之間，計算相同角度對應(yīng)兩條掃描線之差的2-范數(shù)，根據(jù)幀間對應(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）分別進行評價。

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

2 結(jié)果

2.1 體模中的旋轉(zhuǎn)失真圖像

在實驗中，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圖像對比

2.2 旋轉(zhuǎn)失真評估結(jié)果

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

圖5 硅膠體模圖像的旋轉(zhuǎn)失真評價結(jié)果

3 討論

從圖5的趨勢來看，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，需要進行具體討論，以61幀和178幀的對比為例，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（黃色星號標記）。圖6(b)顯示的是第178幀，在0點鐘方向明顯有旋轉(zhuǎn)失真造成的圖像突變（黃色星號標記）。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 不同位置的圖像對比

另一方面，幀間總體和幀間最大兩種評價結(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)這兩種評價結(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），對應(yīng)的幀間總體和幀間最大分別為0.80和0.70。可以看出，兩個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點鐘方向。本次實驗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)遠遠超過了光斑直徑（30 μm），所以對應(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)定下難以用于評價旋轉(zhuǎn)失真。在實際的醫(yī)學成像過程中，為縮短診斷時間，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，這意味著幀間評價方式同樣很難應(yīng)用。

圖7 幀間對比

4 結(jié)論

本文通過體模實驗和圖像分析，對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行評估。實驗結(jié)果表明，在本實驗的參數(shù)設(shè)定下，可以通過求解幀內(nèi)最大來評價旋轉(zhuǎn)失真的程度，這為下一步結(jié)合生物組織實驗和不同具體探頭來評價旋轉(zhuǎn)失真提供了有用的依據(jù)。同時，實驗結(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致，與旋轉(zhuǎn)失真關(guān)聯(lián)較弱。這些結(jié)果對于OCT內(nèi)窺成像的質(zhì)控提供了有價值的參考，為旋轉(zhuǎn)失真進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

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

任海萍，中國食品藥品檢定研究院光機電室主任，主任技師。主要研究方向為生物醫(yī)學工程，醫(yī)療器械檢定。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn