校准和图像处理设备、方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及成像系统，更具体地，涉及图像数据收集探针、数据收集系统、光学相干断层扫描和相关方法。
【背景技术】
[0002]光学相干断层扫描(0CT)是在眼科学、心脏学、肠胃学和其他领域中广泛地应用的干涉成像技术。在干涉成像中，来自已知和可控光学路径(‘参考路径’)的光与从未知路径返回的光发生干涉，使得可以通过分析所得到的干涉图来确定关于该未知路径(‘样本路径’)的信息。干涉图包含被分析的样本内的结构的深度位置信息。0CT的具体优点在于其与光纤的固有兼容性，使其成为非侵入性或微创医疗过程的近乎理想的成像方式。
[0003]通常，对于0CT系统来说，样本和干涉路径的长度相匹配以确保被记录的干涉效应对应于样本内的期望扫描区域。在许多过程中要求的相对较长光学导管(通常近似为1.5至2米)的情况下，这种匹配难以实现。此外，在这些导管中使用的光纤可在使用期间容易地伸展或者收缩几毫米。
[0004]当使用0CT时，光学“零点”是必不可少的。其在图像空间中限定了哪里存在所谓的参考平面。通过约定，表面平面在χ-y平面中，并且沿着z轴为深度。例如在显微镜应用中，可以有利地将零点设置在显微镜载片的表面处，使得可以抵靠该已知表面测量样本。对于插入到内腔(诸如血管)中的导管来说，最有用的参考表面是导管尖端本身的外表面，并且从该位置开始向外测量所有距离。
[0005]0TC系统通常使用光学成像设备内的可调参考路径来根据使用状况调整每个导管。这通常使用参考电机进行处理，其中参考电机可以来回移动诸如参考反射镜的反射器以调整参考路径。
[0006]给定的医疗应用可以每天使用许多一次性导管；所有都与相同的成像设备交互。因此，虽然主路径长度调整可以非常有效地工作，但其通常要求理解光学反射图案的本领域技术人员的初始调整或者将被0CT记录的导管的‘识别标志’，以确定如何将参考路径调整为与导管尖端的外表面一致。
[0007]再次，通过调整参考臂的主路径长度来执行图像零点或参考面位置的调整。这种调整通常被称为参考臂的“z偏移”并且经由电机(简称为z偏移电机)和可移动参考镜进行控制。按照惯例，当如设计一样精确制造样本臂长度(导管)时，设备Z偏移为零；当导管太短时为负；以及当导管太长时为正。电机移动可用于以一致的方式来调整用于不同的导管的参考路径。
[0008]基于0CT导管的探针通常包括光束引导结构(诸如透镜或反射器)，该光束引导结构被放置在它们的远端处以聚集和引导用于扫描目的的光。光通常传播通过一个或多个透明鞘，其中透明鞘包括其中设置有光纤的导管外部结构并与透镜或反射器进行光学通信。每个光学界面都可以引起将被0CT检测到的反射。因此，在确定这些反射器中的哪一个对应于系统的期望光学参考点(‘零点’)方面存在挑战。
[0009]由于基于这种零点设置进行测量，所以正确地进行设置可以显著影响给定医疗应用的结果。此外，由于可能存在多种紧密间隔和类似的强度反射，所以检测适当零偏移(‘z偏移’)的软件的使用存在问题且是不可靠的。此外，作为进一步的复杂性，由于成像系统和这种系统使用的基于一次性导管的探针随时间发生变化，所以用于一个系统的软件通常不被设计用于不同的0CT探针。校准漂移和其他成像人为因素也会影响拉回后检查帧期间(frames post-pullback)的图像质量。
[0010]因此，需要适合用于校准0CT系统的方法、设备和系统。假定光学接口信号的复杂性，需要在校准数据收集探针或基本数据的环境下处理这种信号的附加技术、软件模块和设备。此外，还需要适合于在完成拉回之后处理校准漂移和相关问题的图像处理技术。此夕卜，方法、设备和系统应该能够利用不同类型的一次性数据收集探针进行工作。本发明解决了这些需求。
【发明内容】
[0011]部分地，本发明涉及各种图像数据收集探针设计，其包括校准部件(calibrat1nfeature)以区别探针类型并且在使用给定类型的数据收集探针时校准数据收集系统。被配置为不依赖于电机相关的偏移改变的在完成拉回之后使用图像处理技术执行连续校准的方法和系统也是本发明的实施例。给定校准部件的放置或特性可用于识别不同类型的数据收集探针。此外，可以在识别0CT系统使用的导管类型时规定可针对给定导管类型执行的具体校准步骤。
[0012]本发明还包括各种图像数据处理软件模块和用于这种模块的模块化或封装以及涉及它们的序列配置的处理方法。可以从第一软件模块(诸如连续校准模块)使用的数据库或其他数据存储或存储器中预取0CT数据帧，并且随后预取用于第二软件模块，诸如分支血管检测。这种预取可扩展到多个软件模块，诸如成像处理和滤波模块。
[0013]血管内成像探针结构部件的使用及其特性(诸如0CT图像数据帧中的相关强度图案)可用于识别感兴趣的校准特征或者特征被误识别为感兴趣的校准部件的情况。例如，映射到特定结构部件和其光学识别标志区域的0CT图像中的暗或低强度区域可用作滤波或图案识别算法的一部分以在搜索感兴趣的校准部件时筛选出错误的光学界面信号。以这种方式，可以以更高的精度识别具有反射的拼接、基本为穿透式的玻璃部件以及光散射校准部件。在一个实施例中，使用成像处理方法和软件模块，搜索在拉回期间相对于数据收集探针移动的校准部件，以在完成拉回之后执行连续校准。
[0014]部分地，本发明提供了检测设置在具有血管壁的血管中的校准部件的方法，使用血管内成像探针来扫描血管。该方法包括以下步骤:将在血管中拉回(pullback throughthe vessel)期间获得的图像数据存储在存储设备中，图像数据包括多帧，每一帧都包括扫描线；针对多帧中的第一帧平均扫描线以获取斑点减少的第一帧；在斑点减少的第一帧中识别估计出现校准部件的区域；识别校准部件的候选样本；使用校准部件的至少一部分的厚度识别由候选样本限定的区域；以及对候选样本拟合曲线以限定斑点减少的第一帧中的校准部件的边界。
[0015]本发明还提供了检测设置在具有血管壁的血管中的校准部件的方法，使用血管内成像探针扫描血管。该方法包括以下步骤:将在血管中拉回期间获得的图像数据存储在存储设备中，图像数据包括多帧，每一帧都包括扫描线；针对多帧中的第一帧平均扫描线以获取斑点减少的第一帧；在斑点减少的第一帧中识别期望出现校准部件的区域；使用第一空间滤波器识别校准部件的候选像素；使用第二空间滤波器识别由候选像素限定的区域，第二空间滤波器具有校准部件的至少一部分的厚度；以及对候选像素拟合曲线以限定斑点减少的第一帧中的校准部件的边界。
[0016]在一些实施例中，血管内成像探针包括光纤和与光纤进行光学通信的光束定向器。校准部件可以是包括聚合物的基本透明的弯曲保护套的基本椭圆形截面。椭圆形截面可具有第一环形区域和第二环形区域，并且第二环形区域可掺杂有光散射材料。该厚度可以是第二环形区域的环形厚度，并且第二环形区域同心地设置在第一环形区域中。
[0017]在一些实施例中，该方法还可以包括:从附接至血管内成像探针的设备接收该厚度的步骤。
[0018]在一些实施例中，该方法还可以包括使用该厚度搜索第二环形区域的步骤。
[0019]在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤:在校准部件内旋转光纤和光束定向器并生成血管的截面的图像。该图像包括具有第一光学强度的第一环形区域和具有第二光学强度的第二环形区域，第二光学强度亮于第一光学强度。
[0020]在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤:针对多帧中的第二帧平均扫描线以获取斑点减少的第二帧；在斑点减少的第二帧中识别估计出现校准部件的区域；使用第一空间滤波器识别校准部件的候选样本；使用厚度为校准部件的至少一部分的第二空间滤波器识别由候选样本限定的区域；以及对候选样本拟合曲线以限定斑点减少的第二帧中的校准部件的边界。
[0021]在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤:在帧的一条或多条扫描线中识别具有第一强度的暗区域；以及如果第二强度大于第一强度，则排除在暗区域中出现的具有第二强度的光学信号。
[0022]在一些实施例中，使用一个或多个滤波器执行一个或多个识别步骤。
[0023]在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤:当边界的形状是不规则的或者超过形状阈值时，拒绝与校准部件的边界相关联的图像数据。
[0024]部分地，本发明还提供了一种血管内图像数据处理系统。该系统可包括存储器和与存储器通信的处理器。存储器包括可被处理器执行的指令以使处理器:使用在多帧中的两帧或多帧之间改变的椭圆形校准部件连续地校准包括截面图像的多帧，多帧包括在血管中拉回探针期间收集的数据；检测多帧中的导丝；以及显示多个连续校准的帧。
[0025]在一些实施例中，连续地校准包括:在多帧中的至少大多数帧中识别椭圆形校准部件。
[0026]在一些实施例中，使用选自由校准部件的非同心定位、校准部件的圆形轮廓、校准部件的周长测量、校准部件的面积测量、校准部件的较亮环形子集的厚度、校准部件的较亮环形子集的厚度和校准部件的掺杂区域的厚度所组成的组中的一个或多个约束来执行识别椭圆形校准部件。
[0027]在一些实施例中，该系统还可以包括可被处理器执行的指令以使处理器:将多帧划分为多个窗并横跨多个窗相对于椭圆形校准部件的测量值拟合曲线。
[0028]在一些实施例中，该系统可以包括可被处理器执行的指令以使处理器:在连续校准的帧中检测一个或多个分支血管并在一个或多个连续校准的帧上显示分支血管。
[0029]在一些实施例中，该系统可包括可被处理器执行的指令以使处理器:针对连续校准的帧基于每一帧检测血管的内腔；以及在连续校准的帧中显示血管的内腔。
[0030]在一些实施例中，该系统可包括可被处理器执行的指令以使处理器:对于连续校准的帧基于每一帧检测引导导管。
[0031]在一些实施例中，该系统可包括可被处理器执行的指令以使处理器:检测支架支柱；以及在一个或多个连续校准的帧上显示支架支柱。
[0032]在一些实施例中，该系统可包括可被处理器执行的指令以使处理器:在连续校准的帧中基于每一帧检测一个或多个分支血管；在连续校准的帧中基于每一帧检测一个或多个支架支柱；对于连续校准基于每一帧检测血管的内腔；以及在一个或多个连续校准的帧上显示分支血管、一个或多个支架支柱和内腔。
[0033]在一些实施例中，椭圆形校准部件包括第一边界，并且该边界在两帧或多帧之间改变。
[0034]在一些实施例中，椭圆形校准部件包括设置在第一边界内的第二边界，并且第二边界在两帧或多帧之间改变。
[0035]在一些实施例中，连续地校准多帧包括:在生成校准扫描线的帧之前校准每条扫描线。
[0036]在一些实施例中，该系统可包括可被处理器执行的指令以使处理器:响应于第一边界的形状或者校准部件跟踪的丢失而生成警告。
[0037]在一个实施例中，一个或多个滤波器核被配置为识别一个或多个强度图案或数据收集探针特征，包括但不限于诸如来自鞘的环形掺杂区域、诸如与玻璃或其他基本无反射结构相关联的暗环或带的低强度区域的强度图案的校准部件(来自光纤的第一部分和光纤的第二部分之间的拼接的反射、来自灌封层的反射)以及设置在随着探针旋转在不同位置处成像的成像区域中的校准部件。
[0038]在一个实施例中，可基于每条扫描线来应用滤波器核。在一个实施例中，滤波器核可以被配置为沿着给定扫描线匹配环的高或低区域。在一个实施例中，第一部分和第二部分是干涉仪的样本臂的部分。在一个实施例中，基于掺杂环形校准部件的厚度来触发特定滤波器核的选择。在一个实施例中，掺杂环形校准部件的厚度、掺杂环形校准部件的散射颗粒浓度或者其他探针专用的校准部件可使用标签来编码，其标签可以被扫描器读取并被传输至校准软件模块用于响应于编码厚度选择特定的滤波器核。在一个实施例中，标签在场标签或RFID标签附近。在一个实施例中，扫描器可以是探针接口单元的一部分。
[0039]在一个实施例中，滤波器核(诸如卷积矩阵)被实施为包括行和列以及被配置为执行图像处理(用于执行强度、加强、图案识别、检测、跟踪和其他图像处理任务)的元素的矩阵。滤波器核可用于各种处理和其他处理级以对0CT图像数据或其他图像数据执行图像处理。在一个实施例中，术语“预取”表示预先从被另一系统或处理请求或处理的这种数据的一个源中获取数据。虽然如前所述，但本文所讨论的术语的范围不用于限制而只是澄清它们的用户，并且本领域技术人员能够结合术语的最广泛含义。
[0040]在一个实施例中，使用图像处理技术而非使用电机位置影响校准，可以在完成拉回之后执行图像数据的帧的校准。在一个实施例中，可以在软件中处理并且基于每一帧执行基于电机的校准之后的不同光纤变化。例如，可以使用连续校准处理)(诸如图像处理模块)基于每一帧来校正与光纤拉伸或血管移动(诸如由于心肌收缩)相关联的错误。基于每一帧跟踪移动或者使校准部件变形以及处理可以模仿校准部件的错误信号是本发明的实施例。
[0041]在一个实施例中，具有基本为圆形或椭圆形截面的细长鞘以图案(诸如环、带或其他环形区域或多环形区域)掺杂有多种散射元素。可以相对于掺杂鞘拉回光学探针，使得生成数据的图像帧，其中掺杂区域的图案的出现沿着拉回在一帧或多帧中改变、移动或变形。
[0042]在一个实施例中，细长鞘被配置为传输适合于生成血管或其组成的图像的光。在一个实施例中，基本为圆形或椭圆形