一种对血管内导管偏振敏感相干层析成像优化去消偏方法

1.本发明涉及一种导管光学相干层析成像方法。特别是涉及一种对导管偏振敏感光学相干层析成像偏振去消偏的方法。


背景技术：

2.导管oct技术是一种高分辨率的截面层析成像技术，应用偏振成像技术的导管ps
‑
oct则能以高分辨率的成像对深层偏振信息进行提取与记录，分辨不同的生物组织。该技术由此能够解决血管内病变斑块的鉴定能够解决动脉粥样硬化斑块的稳定性难以在体、实时、快速判断的医学难题。尽管在定性问题上，现有的oct系统已经达到了可能判断组织斑块性质的水平；然而在定量问题上，例如图像清晰度、成像深度、组织类型的判断准确性等方面仍存不足，因此采用并改良ps
‑
oct技术是oct系统发展的关键方向。
3.在以光散射强度为成像机理的导管oct中，一些具有相似散射性质组织无法被分辨，而当我们引入ps
‑
oct技术后，这些组织便会因偏振性质差异显现出来而被区分开来，例如相关研究表明表现出双折射效应差异的纤维结构中间质胶原或层状动脉平滑肌细胞；引起消偏特性差异的组织脂肪含量。因此开发可检测偏振特性的导管polarization sensitive oct(ps
‑
oct)系统会进一步提高动脉粥样性斑块性质和结构诊断准确率，正确指导血运重建。天津大学丁振扬等人提出了采用相似穆勒矩阵偏振解算方法(201811088259.0)，该方法可有效解调出生物组织的偏振信息，但该方法缺少矩阵分解步骤，对消偏引起ps
‑
oct成像的低对比度，低信噪比等问题难以有效解决。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种对血管内导管偏振敏感相干层析成像优化去消偏方法，基于移动窗平均穆勒矩阵算法，加入矩阵分解法提取相位延迟矩阵进行双折射相位延计算及成像，可显著去除消偏的影响，提升偏振解调信号的信噪比，提高偏振特征图的对比度，比较基于相似琼斯矩阵的相位延迟计算，本方法的相位延迟计算能在双偏振态的偏振敏感相干层析成像中有效去除消偏影响，具有更广泛的适用性。本发明所采用的技术方案是：
5.一种对血管内导管偏振敏感相干层析成像优化去消偏方法，用于导管偏振敏感光学相干层析成像(ps
‑
oct)系统，包括如下步骤：
6.1)设定导管偏振敏感光学相干层析成像(ps
‑
oct)系统的输入光的偏振态为e
in
，参考光表示为e
ref
；将系统中的输入光和参考光在h和v通道上的参考光设定为等光强；
7.2)对在偏振分集处测量到的电信号以琼斯矩阵形式进行采集，并进行色散补偿、插值傅里叶变换生成空域图像，再进行图像分割；以图像中样品深度位置z处，横向距离x处为中心，构建长宽像素分别为2p和2q的平均窗，将窗内各点的琼斯矩阵和选定的参考面位置处的琼斯矩阵分别通过矩阵变换和矩阵平均算法转换为平均穆勒矩阵，得到平均测量穆勒矩阵其中i，j∈{0，1，2，3}为平均测量穆勒矩阵的元素，由窗内测
量穆勒矩阵相应位置的元素经平均运算得出：
[0008][0009]
3)在平均窗内选取中心点的测量穆勒矩阵m
s.t
(x，z)，并通过矩阵分解法获取该点的双衰减矩阵作为该平均窗内的平均双衰减矩阵方法如下：
[0010]
(1)提取平均测量穆勒矩阵右下角含有九个元素的分块矩阵
[0011][0012]
(2)计算中心点的测量穆勒矩阵m
s.t
(x，z)的分块矢量p(x，z)，d(x，z)，并取d(x，z)的单位向量d
u
(x，z)：
[0013][0014][0015][0016]
(3)计算平均双衰减分块矩阵
[0017][0018]
其中e
i
为包含i
×
i个元素的单位矩阵；
[0019]
(4)构建平均双衰减矩阵
[0020][0021]
4)运用矩阵逆运算将平均双折射相位延迟矩阵从平均测量穆勒矩阵中去除，得到伪平均双折射相位延迟矩阵方法如下：
[0022]
(1)运用逆矩阵运算获取伪平均双折射相位延迟矩阵
[0023][0024]
(2)将伪平均双折射相位延迟矩阵分块化表示，并提取各个分块矩阵及向量：
[0025]
[0026]
5)应用矩阵分解法则将伪平均双折射相位延迟矩阵再分解为平均消偏矩阵和平均双折射相位延迟矩阵将两种偏振信息分别提取：
[0027]
(1)设λ1，λ2，λ3为m
′
(m
′
)
t
的三个特征根，则消偏分块矩阵可表示为：
[0028][0029]
(2)构建平均消偏矩阵
[0030][0031]
(3)通过逆矩阵运算获取平均双折射相位延迟矩阵
[0032][0033]
以上过程表示为矩阵分解形式：
[0034][0035]
6)提取平均双折射相位延迟矩阵根据相似矩阵原理，通过相位计算得到平均窗在极坐标下的相位延迟量r(x，z)：
[0036][0037]
7)对极坐标下的各个位置的相位延迟量应用1)至6)所示的方法进行遍历计算，得到相位延迟量二维极坐标分布图；
[0038]
8)对7)所得到的相位延迟量计算结果进行坐标插值变换由极坐标转换成笛卡尔坐标，最终得出导管偏振敏感光学相干层析成像系统样品的双折射图像。
[0039]
本发明基于移动窗平均穆勒矩阵算法，加入矩阵分解法提取相位延迟矩阵进行双折射相位延计算及成像，可显著去除消偏的影响，提升偏振解调信号的信噪比，提高偏振特征图的对比度。比较基于相似琼斯矩阵的相位延迟计算，本方法的相位延迟计算能在双偏振态的偏振敏感相干层析成像中有效去除消偏影响，具有更广泛的适用性。
附图说明
[0040]
图1是本发明中的导管偏振敏感光学相干层析成像系统的结构示意图；
[0041]
图2是本发明的一种对血管内导管偏振敏感相干层析成像优化去消偏方法的流程图。
[0042]
图3猪心血管偏振去消偏效果图，左：强度图像，左中：未采用矩阵分解去消偏方法处理的双折射相位延迟，颜色由深到浅表示相位延迟差从0到p，右中：采用矩阵分解去消偏方法处理的双折射相位延迟，颜色由深到浅表示相位延迟差从0到p，右：由算法提取的组织消偏分布图，颜色由浅到深表示受消偏影响成程度大到小。
[0043]
图4鸡肉偏振去消偏效果图，左：强度图像，左中：未采用矩阵分解去消偏方法处理的双折射相位延迟，颜色由深到浅表示相位延迟差从0到p，右中：采用矩阵分解去消偏方法处理的双折射相位延迟，颜色由深到浅表示相位延迟差从0到p，右：由算法提取的组织消偏分布图，颜色由浅到深表示受消偏影响成程度大到小。
[0044]
图5猪心肌偏振去消偏效果图，左：强度图像，左中：未采用矩阵分解去消偏方法处理的双折射相位延迟，，颜色由深到浅表示相位延迟差从0到p，右中：采用矩阵分解去消偏方法处理的双折射相位延迟，颜色由深到浅表示相位延迟差从0到p，右：由算法提取的组织消偏分布图，颜色由浅到深表示受消偏影响成程度大到小。
具体实施方式
[0045]
下面结合实施例和附图对本发明的一种对血管内导管偏振敏感相干层析成像优化去消偏方法做出详细说明。
[0046]
本发明利用琼斯矩阵提取偏振信息并转由平均穆勒矩阵进行偏振信息特征表征，通过穆勒矩阵分解法对双折射相位延迟进行特征提取及纯化，并对消偏，双衰减等信息分离并提取。通过测量穆勒矩阵进行初步矩阵分解提取双衰减矩阵推导样品的平均消偏矩阵实现消偏提取，并将在这一过程中计算出的双折射相位延迟矩阵提取，得到样品的准确相位延迟分布，实现了导管的ps
‑
oct图像的去消偏。
[0047]
本发明的对血管内导管偏振敏感相干层析成像优化去消偏方法，涉及导管偏振敏感光学相干层析成像(polarization
‑
sensitive oct)即ps
‑
oct图像中如何削弱组织消偏对双折射相位延迟成像的干扰，能够消除光纤在高速旋转过程中受导管电机挤压拉伸所带来的噪声消偏的影响，增强双折射图像清晰度，条纹对比度，提高ps
‑
oct有效成像深度。本发明使得ps
‑
oct系统能够将样品深层的偏振信息：双折射相位延迟、双衰减、消偏互不干扰地单独提取并准确计算，实现三种信息的层析成像，比传统oct强度成像技术能获得更多的层析成像内容，拓展血管内导管oct检测特征种类，提升血管内微观病变分析能力。本发明利用琼斯矩阵提取偏振信息并转由平均穆勒矩阵进行偏振信息特征表征，通过穆勒矩阵分解法对双折射相位延迟进行特征提取及纯化，并对消偏，双衰减等信息分离并提取。通过测量穆勒矩阵进行初步矩阵分解提取双衰减矩阵推导样品的平均消偏矩阵实现消偏提取，并将在这一过程中计算出的双折射相位延迟矩阵提取，得到样品的准确相位延迟量分布，实现了导管的ps
‑
oct图像的去消偏。
[0048]
本发明的一种对导管偏振敏感光学相干层析成像偏振解调平均去噪方法，用于如图1所示的导管偏振敏感光学相干层析成像(ps
‑
oct)系统，其工作原理是：
[0049]
导管ps
‑
oct系统的扫描光源1的出射光由1:99光纤耦合器2的1端口进入，并以1:99的比例分别从2、3端口分配到样品臂和参考臂。1:99光纤耦合器2的2端口的出射光进入样品臂，进入样品臂的光束入射到三环偏振控制器3后入射到长为18.5米的保偏光纤4，进入到环形器6的1端口，光从环形器6的2端口出射，出射光经过旋转机构8进入到成像导管11，经过样品反射后的光从成像导管11返回到环形器6中，并通过环形器6的3端口出射。1:99光纤耦合器2的3端口的出射光进入参考臂，进入参考臂的光入射到长为18.5米的单模光纤5，出射光进入环形器7的1端口，从2端口出射进入反射式光纤延迟线10，反射光通过环形器7的2端口入射，从3端口出射到三环偏振控制器9。样品臂经过环形器6的3端口的出射光和参考臂经过三环偏振控制器9的出射光分别从光纤耦合器12的1、2端口入射到50:50的光纤耦合器12中发生干涉，并以50:50的比例分别从3、4端口进入到三环偏振控制器13和三环偏振控制器14，出射光分别入射到偏振分束器15、16，光纤分束器15的出射光分别从端口1、2入射到平衡探测器17、18，偏振分束器16的出射光分别从端口1、2入射到平衡探测器17、
18，平衡探测器17、18的电信号被采集卡19接收，传输到计算机20中。
[0050]
光源采用快速扫描光源，系统中采用保偏光纤产生正交偏振态的延迟，通过偏振分束器进行偏振分集采集，保偏光纤长度取决于其双折射产生相位延迟等于普通oct成像深度的一半。这种方法保证了系统可以在一幅图像中同时呈现正交两种输入偏振态的偏振分集成像，为后续消除导管旋转引入的系统双折射变化提供可能。
[0051]
如图2所示，本发明的一种对血管内导管偏振敏感相干层析成像优化去消偏方法，包括如下步骤：
[0052]
1)设定导管偏振敏感光学相干层析成像(ps
‑
oct)系统的输入光的偏振态为e
in
，参考光表示为e
ref
；将系统中的输入光和参考光在h和v通道上的参考光设定为等光强。对在偏振分集处测量到的电信号以琼斯矩阵形式进行采集，并进行色散补偿、插值傅里叶变换生成空域图像[1]，再进行图像分割；以图像中样品深度位置z处，横向距离x处为中心，构建长宽像素分别为2p和2q的平均窗，将窗内各点的琼斯矩阵和选定的参考面位置处的琼斯矩阵分别通过矩阵变换和矩阵平均算法转换为平均穆勒矩阵，得到平均测量穆勒矩阵
[0053]
(1)所述的平均测量穆勒矩阵
[0054][0055]
3)在平均窗内选取中心点的测量穆勒矩阵m
s.t
(x，z)，并通过矩阵分解法获取该点的双衰减矩阵作为该平均窗的平均双衰减矩阵所述矩阵分解法步骤为：
[0056]
(1)提取平均测量穆勒矩阵右下角含有九个元素的分块矩阵
[0057][0058]
(2)提取中心点的测量穆勒矩阵m
s.t
(x，z)分块矢量p(x，z)，d(x，z)，并计算d(x，z)的单位向量d
u
(x，z)
[0059][0060][0061][0062]
(3)计算平均双衰减分块矩阵
[0063][0064]
其中e
i
为包含i
×
i个元素的单位矩阵。
[0065]
(4)构建平均双衰减矩阵
[0066][0067]
4)运用矩阵逆运算将平均双折射相位延迟矩阵从平均测量穆勒矩阵中去除，得到伪平均双折射相位延迟矩阵该矩阵所提取的相位延迟信息仍包含消偏噪声。
[0068]
(1)所述运用逆矩阵运算获取的伪平均双折射相位延迟矩阵为：
[0069][0070]
(2)将伪平均双折射相位延迟矩阵分块化表示，并提取各个分块矩阵及向量：
[0071][0072]
5)应用矩阵分解法则将伪平均双折射相位延迟矩阵再分解为平均消偏矩阵和平均双折射相位延迟矩阵将两种偏振信息分别提取。
[0073]
(1)所述对伪平均双折射相位延迟矩阵的再分解步骤为：
[0074][0075]
其中λ1，λ2，λ3为m
′
(m
′
)
t
的三个特征根
[0076]
(2)计算得平均消偏矩阵为：
[0077][0078]
(3)平均双折射相位延迟矩阵可由逆矩阵运算计算得，步骤为：
[0079][0080]
即：
[0081][0082]
6)提取平均双折射相位延迟矩阵根据相似矩阵原理，可通过相位计算公式得到平均窗在极坐标下的相位延迟量r(x，z)：
[0083][0084]
7)对极坐标下的各个位置的相位延迟量应用1)至6)所示的方法进行遍历计算，得到相位延迟量二维极坐标分布图。
[0085]
8)对7)所示相位延迟量计算结果进行坐标插值变换由极坐标转换成笛卡尔坐标，最终得出导管偏振敏感光学相干层析成像系统样品的双折射图像。
[0086]
所述的坐标插值变换是由于在ps
‑
oct系统的数据采集过程中，是对深度信息a
‑
scan和横向信息b
‑
scan进行成像，最终成像结果输出的是极坐标图像，但实际需求是管腔
内的图像，所以需要把处理后的极坐标图像处理成为笛卡尔坐标下的ps
‑
oct图像。
[0087]
如图3所示，为本发明所用的对血管内导管偏振敏感相干层析成像优化去消偏方法效果图，左图为强度图像，左中图为未采用矩阵分解去消偏方法处理的双折射相位延迟，右中图为采用矩阵分解去消偏方法处理的双折射相位延迟，右图为由算法提取的组织消偏分布图。
[0088]
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
[0089]
参考文献
[0090]
[1]z.ding，c.
‑
p.liang，and y.chen，“technology developments and biomedical applications of polarization
‑
sensitive optical coherence tomography，”front.optoelectron.8(2)，128
‑
140(2015)。