光学相干层析成像旋转失真评价研究
王浩，孟祥峰，刘艳珍，任海萍
中国食品药品检定研究院 光机电室，北京 100050
[摘 要]光学相干层析成像（OCT）是内窥镜成像领域异军突起的新方向，可以提供高分辨率的三维图像。光纤探头的优化设计，使得OCT可适应多种浅表性疾病诊断的需求，在心血管、消化道、呼吸系统、泌尿系统疾病等方面正在加速临床转化。图像旋转失真是OCT内窥镜的一个共性问题，反映了探头机械设计的质量，对图像的完整性影响很大，目前OCT图像旋转失真并没有国内外标准和测试方法。本文讨论了OCT旋转失真的特征，提出了基于图像的定量评估方法，为完善OCT内窥镜的质量控制提供了有用的参考。
[关键词]医用内窥镜；光学相干层析成像；旋转失真；图像处理；质量控制
0 引言
光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）诞生于1991年[1]，是生物医学光学领域较为成熟和常见的一大类可用于临床的技术，经过20多年的发展，由时域发展到了频域[2-5]，成像方式由传统的体外检查（眼科）演变出了不同规格和用途的介入式光纤探头[4-7]，成像速度普遍提高到了100帧/s量级以上，最快可达4000帧/s[8]。随着光源的发展和光路设计的进步，分辨率由10 µm量级提高到了1 µm量级[9]，图像细节日益丰富，可提供更多的病理信息。在内窥成像领域，OCT的潜力巨大，国外学术界和工业界在心血管、消化道、呼吸系统、泌尿系统等方面[10-14]积极开展临床试验和推广，部分产品已经商业化，国内也有科研机构和企业在跟进。
目前，OCT内窥成像的空间扫描主要通过机电装置控制光纤探头进行螺旋式后退实现。在实际的系统设计和成像过程中，由于控制精度、稳定性、摩擦力、扭矩等方面的问题或故障，探头运动的周期性和连续性不理想，对应的图像失真叫做旋转失真，是OCT内窥成像的重要误差来源，也是评价机电装置运动和控制性能的重要参数。
目前，医疗器械质控领域缺乏评价OCT图像旋转失真的方法。OCT内窥成像领域当前并没有对应的国内外标准。OCT领域唯一的国际标准ISO 16971-2015[15]也仅针对眼科成像（体外扫描）。现有的对于OCT旋转失真的评价借鉴血管内超声的做法[16]，通过在体模上每隔45°进行一个标记，评估实际图像中标记的偏移量来进行。由于不同OCT探头尺寸、形状、参数设定各有差别，设计通用体模检测旋转失真的难度较大，不适合推广。OCT学术界在开发运动伪影校正算法时关注相邻图像之间的相似性，提供了有益的启示[17-20]。
为了探讨通过图像分析直接评价旋转失真的可行性，本文通过实验观察了OCT成像中的旋转失真现象，针对相邻图像直接的相似性，计算了帧内相邻扫描线之间以及相邻两帧图像之间的差异，比对了旋转失真的不同量化表述方法，对于完善OCT内窥系统的质控和促进我国OCT内窥成像技术的发展提供了参考。
1 实验材料和方法
1.1 基本数学表述和实际应用案例
理论上，OCT探头应进行匀速螺旋运动。在每一帧OCT二维图像上，如果以OCT探头为柱坐标系原点，那么不同的OCT轴扫描线（A-line）对应不同的角度。以常见的扫频（Swept Source）OCT内窥系统为例，成像过程应满足以下关系：
其中，vA是光源的扫描频率（单位：Hz），N是每一帧图像的轴扫描线数，vr是探头旋转的速度（单位：转/s）。两幅图对应的螺距P满足：
其中，vp为水平后退的速度。
公式(1)、(2)是描述探头运动的基本公式。图像旋转失真在数学本质上意味着不符合公式(1)。旋转失真图像典型案例，见图1。两个例子的共同特点是旋转失真区域与周围正常图像之间有突变。本文的体模实验需要捕捉类似的突变，以分析图像特征。
图1 旋转失真图像典型案例
注：a.冠状动脉OCT图像，虚线区域对应的组织是一个血管分支。由于旋转失真的发生，分支与冠状动脉之间的边界丢失，因而呈现出0点钟方向的跳变；b.食道OCT图像，虚线区域显示的是探头迟滞形成的模糊图像，也是旋转失真的一种。
1.2 实验材料
本实验使用聚乙烯和硅胶制作而成的软管充当体模，近似模拟人体内部的空腔结构（例如血管、气管等），其内径范围为1～2 mm，厚度为200～400 µm，长度为50 cm。
1.3 仪器与方法
本实验使用商用扫频OCT内窥系统配合光纤探头进行测量，OCT光源的频率为40 kHz，波长扫描范围为1250～1370 nm。每帧图像包含1024条扫描线，探头每秒钟旋转39次，因而系统成像速度为39帧/s。OCT探头远端采用球透镜设计，焦距为1 mm，横向空间分辨率为30 µm，轴向空间分辨率为14 µm。探头外面有透明塑料保护鞘，厚度约100 µm，外径800 µm。OCT体模成像实验示意图，见图2。
图2 OCT体模成像实验示意图
在实验中，保护鞘和体模位置固定，探头以10 mm/s的速度后撤，同时每秒旋转39转，从而对体模内部进行三维螺旋扫描，以模拟OCT在组织中的成像过程。根据实验参数设定，探头旋转的角分辨率为2pi/1024，对应体模上的圆弧长度为6～12 µm，低于横向空间分辨率（30 µm），这意味着相邻两条扫描线对应的组织存在重叠，扫描线本身的相关系数较高。为增加探头运动的阻力和需要的扭矩，体模软管经过一定的弯曲处理，曲率半径最小为1 cm。
图3 旋转失真评价方法示意图
1.4 数据处理方法
为规范数据格式，本文在柱坐标系下（原始OCT图像为矩形而不是圆形）提出两种评估旋转失真的思路，分别为帧内2-范数评估法和帧间2-范数评估法，其原理见图3。N为每一帧的扫描线数，M为每条扫描线上的采样点数，Aj指的是第j条扫描线。
帧内2-范数评估法指的是在每一帧图像里，计算相邻两条扫描线之差的2-范数，根据相邻扫描线的变化来跟踪旋转失真，由以下公式定义：
其中，Ij为第j条扫描线与第j+1条扫描线之差的2-范数，ai,j为第j条扫描线上第i个采样点，以此类推，最终Ij会组成一个矢量VI。帧内旋转失真通过两种不同途径进行评价：一是直接取VI的最大值VImax（帧内最大），作为每一帧内旋转失真的最大值；二是直接求VI的2-范数VIN2（帧内总体），作为每一帧内旋转失真的总体估计（也等效于平均值）。
帧间2-范数评估法指的是在相邻图像之间，计算相同角度对应两条扫描线之差的2-范数，根据帧间对应位置扫描线的变化来跟踪旋转失真，由以下公式定义：
其中，Bj为第j条扫描线与下一帧第j条扫描线之差的2-范数。Bj最终组成一个矢量VB。与上面类似，帧间旋转失真也通过VB的最大值VBmax（帧间最大）和2-范数VBN2（帧间总体）分别进行评价。
在进行计算之前，所有图像预先进行平滑滤波，以消除环境中的高频或脉冲噪声等对图像的干扰。
2 结果
2.1 体模中的旋转失真图像
在实验中，OCT旋转失真现象多次被观察到，见图4。
图4 聚乙烯软管OCT图像对比
注：a.显示了来自聚乙烯软管的正常的OCT图像，其中最外侧的灰色环形为体模图像，内侧灰色环形为探头保护鞘的图像，两者均灰度均匀，过渡自然平滑；b.显示了具有旋转失真的OCT图像，在0点钟方向体模图像出现了明显的错位，以至于圆环不能闭合，与实际情况不符。说明本实验方法和平台可以产生旋转失真，从而提供数据比较旋转失真的评价方式。
2.2 旋转失真评估结果
本实验采集了硅胶软管体模的560帧连续图像，根据公式(3)～(6)分别计算了帧内最大、帧内总体、帧间最大、帧间总体四个矢量各自除以各自的最大值，得到归一化曲线的对比，见图5。
图5 硅胶体模图像的旋转失真评价结果
注：蓝色曲线代表帧内最大，主要分布在0.1～0.4之间，总体平稳；黑色曲线代表帧内总体，基线在0.9，整体平稳，对比度较小；绿色曲线代表帧间最大，基线在0.2附近，尖峰较多，说明在这些位置两帧之间在局部角度上差别变化大；红色曲线代表帧间总体，基线在0.6附近，同样伴随着较多的尖峰，说明从整个数据集合中帧与帧之间存在着明显的差别。
3 讨论
从图5的趋势来看，帧内最大和帧内总体两种方法反映的旋转失真情况截然不同，需要进行具体讨论，以61帧和178帧的对比为例，见图6。
图6(a)显示的是第61帧，其成因是成像过程中，OCT光线受到杂质碎屑的阻挡，在图像上形成了伪影（黄色星号标记）。图6(b)显示的是第178帧，在0点钟方向明显有旋转失真造成的图像突变（黄色星号标记）。肉眼观察下两帧均呈现类似的突变，但是帧内最大有明显的不同，前者为0.29，后者为1（帧内最大曲线的峰值）。究其原因，前者由于光线的绕射，在被阻挡区域和正常管壁之间依然存在过渡，后者直接出现突变，这说明帧内最大有助于区分旋转失真和由于光线阻挡造成的伪影。相反，61帧和178帧的帧内总体差别不大，分别为0.91和1，这说明由于平均效应，帧内总体难以捕捉旋转失真的变化。
图6 不同位置的图像对比
另一方面，帧间总体和帧间最大两种评价结果曲线与帧内最大有较大差异，尖峰很多。经过检查具体图像，发现这两种评价结果反映的主要是组织不同位置之间的差异，而不是旋转失真本身，以第270和271帧为例（图7），对应的帧间总体和帧间最大分别为0.80和0.70。可以看出，两个图像自身并没有明显的旋转失真，组织本身差异较大，尤其是6点钟方向。本次实验中探头后退的螺距为256 µm（10 mm除以39），意味着两幅图的间距已经远远超过了光斑直径（30 µm），所以对应体模中的位置已有明显偏差，与成像结果相吻合。因此，帧间总体和帧间最大在这种设定下难以用于评价旋转失真。在实际的医学成像过程中，为缩短诊断时间，提升患者舒适度，探头后退速度和旋转速度都在不断提升，但缩小螺距本身依然面临很大困难，这意味着帧间评价方式同样很难应用。
图7 帧间对比
4 结论
本文通过体模实验和图像分析，对OCT内窥成像中的旋转失真问题采用了四种不同方法进行评估。实验结果表明，在本实验的参数设定下，可以通过求解帧内最大来评价旋转失真的程度，这为下一步结合生物组织实验和不同具体探头来评价旋转失真提供了有用的依据。同时，实验结果还表明图像的帧间差异主要由体模/组织自身在不同空间位置的差异所导致，与旋转失真关联较弱。这些结果对于OCT内窥成像的质控提供了有价值的参考，为旋转失真进一步的定量研究打下了基础。
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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
Abstract：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.
Key words：medical endoscopy; optical coherence tomography; rotational distortion; image processing; quality control
[中图分类号]TH776+.1；TN247
[文献标志码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.008
[文章编号]1674-1633(2016)07-0026-04
收稿日期：2016-04-26
基金项目：国家科技支撑计划项目（2015BAI43H00），中国食品药品检定研究院中青年基金项目（2015C02）。
通讯作者：任海萍，中国食品药品检定研究院光机电室主任，主任技师。主要研究方向为生物医学工程，医疗器械检定。