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光学相干断层成像的配准与分割技术研究及应用

光学相干断层成像的配准与分割技术研究及应用

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作者：臧鹏霄山东师范大学

学位级别：硕士

光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography,OCT)技术是一种针对生物组织的高分辨率、深度断层解析的三维成像技术,OCT基于宽带光源的低相干性通过测量生物组织的后向散射光和反射光的强度以及时间延迟计算出生物组织的二维断层图... 详细信息

光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography,OCT)技术是一种针对生物组织的高分辨率、深度断层解析的三维成像技术,OCT基于宽带光源的低相干性通过测量生物组织的后向散射光和反射光的强度以及时间延迟计算出生物组织的二维断层图像和三维图像,自发明以来被广泛应用于多种疾病的治疗当中,其中在眼部疾病的治疗应用最为广泛和成熟。在最近几年当中随着光源和检测技术的提高,频域OCT(Fourier-domain OCT)已经在灵敏度、扫描分辨率以及扫描速度等方面超越了传统的时域OCT(Time-domain OCT),这些方面的提高使得频域OCT在对生物组织进行成像的同时还可以根据检测出的血流信息得到眼底的血管造影。这一应用首先出现于多普勒OCT之中,在扫描过程中使用血管造影技术通过计算相邻A-line之间的相位差得到眼底的血管造影图像。在此之后,多种OCT血管造影(OCT Angiography,OCTA)技术被提出并应用于眼底的血管网络成像。其中美国Oregon Health&Science University,Casey Eye Institute的Yali Jia教授和David Huang教授于2012年提了分光谱幅度去相关血管成像(Split-spectrum amplitudedecorrelation angiography,SSADA)技术,与已有方法相比基于这一血管造影技术的眼底图像在血管对比度、密度和连通性等方面有了很大提高。而高质量的OCT和OCTA数据能够帮助医生更加精确的判断患者的病情从而做出准确的诊断。想要提高OCT和OCTA图像的质量,除了提高OCT系统本身的扫描精度和速度以外,对于获得的OCT和OCTA图像的后期处同样重要。而配准与分割作为最基本的图像处理操作,在OCT和OCTA图像的后期处理中有着重要作用,其中配准可以用于同一区域连续扫描得到的数据之间的配准,通过将连续扫描得到的数据进行配准与融合,可以达到消除眼动所造成的形变,并提高OCTA中血管网络的对比度、密度和连通性;还可以用于同一患者的同一眼底区域不同时间扫描得到的OCT或OCTA之间的配准,通过图像之间的配准进一步将病变区域配准,使得医生可以更直观、更准确的了解病人在这段时间的病情变化,从而能够更加准确的对治疗方案进行调整;此外,配准还可以用于OCT或OCTA与传统眼底图像之间的配准,如彩色眼底照片(color fundus photograph,CFPs)、荧光素眼底血管造影(fluorescein fundus angiography,FFAs)和吲哚青绿血管造影(indocyanine green angiography,ICGAs)等,每一种图像都有其各自的优点,将同一患者同一眼底区域的OCT或OCTA与这些图像进行配准,可以使医生根据不同图像所提供的信息更加全面客观地进行临床诊断。分割主要可以用于视网膜和脉络膜中各个细胞层之间的分割,并可以根据分割后各个细胞层之间的边界得到不同细胞层的二维投影(en face OCT或en face OCTA),而许多疾病在眼底的不同细胞层之间的表象也不同,这些基于分割边界的二维投影图像可以帮助医生更加准确详细的判断病人的病情并加以治疗;此外,分割还可以用于患者的OCT或OCTA中多种病变区域的分割,由于医生的判断有着很强的主观性,对病变区域的自动分割可以更加客观的将病变区域分割出来并进行一系列的量化分析,可以辅助医生进行更加精确的诊断。基于配准与分割在OCT和OCTA中的各种应用,我们分别进行了四个方面的研究并取得了一定的成果。第一,我们提出了一种二维平行样条配准的方法,用于超高速OCT系统(扫描速度大于200kHz)下连续扫描得到的两个大尺寸en face OCTA之间的配准,通过对两幅en face OCTA的配准与融合,我们可以得到一个消除了运动伪影并且加强了血管网络对比度、密度以及连通性的融合图像,对超高速OCT系统在临床治疗中的作用有着很大提高;第二,我们基于前一种方法提出了一个三维配准与结构重建方法,用于超高速OCT系统下连续扫描得到的两对三维数据(OCT和OCTA)之间的配准,这一方法可以解决三维OCT和OCTA中由于眼动所造成的各种形变(尤其是轴向形变),重建出符合真实解剖学结构的三维OCT和OCTA,帮助医生从三维层面更加准确立体的了解患者的病情;第三,我们提出了一种多模态眼底图像之间的配准方法,可以将传统的眼底图像(CFPs、FFAs和ICGAs)与en face OCT(也可写作OCT fundus,OFIs)进行配准,配准后的多模态眼底图像可以帮助医生更加全面的进行诊断,这个方法同样可以用于同一患者同一区域不同时序扫描的OFIs之间的配准,帮助

关键词： OCT 仿射变换基于B样条的自由变形动态规划视网膜 tp391.4

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