人體皮膚毛細(xì)血管血流信號(hào)提取技術(shù)探析

1、人體皮膚毛細(xì)血管血流信號(hào)提取技術(shù)探析摘要提出了一種基于掃頻光學(xué)相干層析術(shù)的散斑方差（SV）和多普勒算法結(jié)合的方法來提取人體皮膚毛細(xì)血管的血流信號(hào)。這種方法利用了SV算法獲取血流信號(hào)強(qiáng)度和多普勒算法獲取相位信息的優(yōu)勢(shì)。SV算法對(duì)兩幅結(jié)構(gòu)圖同一位置的強(qiáng)度進(jìn)行方差運(yùn)算。多普勒算法可以通過測(cè)量相鄰A掃之間的相位變化來獲取多普勒頻移，進(jìn)而獲取血流流速信息，但這種方法中掃頻光源的相位和采樣信號(hào)隨時(shí)間存在漂移，導(dǎo)致觸發(fā)信號(hào)和采集卡模數(shù)轉(zhuǎn)換之間的延遲時(shí)間在一個(gè)取樣時(shí)鐘周期中變化。為了校正這部分相位變化，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用雙參考鏡，通過校正兩參考鏡相鄰A掃之間的相位變化來對(duì)相應(yīng)血流部分進(jìn)行相位校正。進(jìn)行了樣本模擬實(shí)

2、驗(yàn)和人體皮膚成像實(shí)驗(yàn)，SV算法獲取血流強(qiáng)度和經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡校正的多普勒頻移來獲取血流方向，綜合運(yùn)用兩種方法得到具有方向信息的血流強(qiáng)度圖。關(guān)鍵詞醫(yī)用光學(xué)；掃頻光學(xué)相干層析術(shù)；多普勒算法；散斑方差；相位校正。Abstract: For extracting the blood flow signal of the human skin blood capillary,a combination method of specklevariance（SV）based on the swept source optical coherence tomography,and Doppler algorith

3、m is proposed.Thismethod takes advantage of SV algorithm to get the blood flow signal intensity and advantage of Doppler algorithm toobtain phase.SV algorithm calculates the variance of intensity at the same location of two frames.Doppleralgorithm calculates the phase shift between adjacent A scans

4、in order to obtain frequency shift.However,the phaseof the swept source output and the sampled signal drift slowly over time,causing the delay between the triggersignal and the subsequent analog to digital conversion to vary within a sample clock cycle.To correct the change inphase,double reference

5、mirrors are used in the experimental system.We adjust the phase shift between adjacent Ascans of the two reference mirrors to correct the phase of the corresponding blood flow.Sample simulationexperiment and human skin imaging experiment are carried out.SV algorithm is used to obtain the intensity o

6、f bloodand Doppler phase shift after correction is used to obtain the direction of blood.Blood flow intensity with directioninformation is obtained by combination of the two methods.Key words: medical optics;swept source optical coherence tomography;Doppler algorithm;speckle variance;phasecorrection

7、.1引言。光學(xué)相干層析術(shù)（OCT）基于低相干干涉技術(shù)，利用參考臂和樣品臂的光進(jìn)行干涉，經(jīng)信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，恢復(fù)生物組織樣品的層析圖像，能夠反映生物組織的結(jié)構(gòu)、相位等信息1.自從20世紀(jì)90年代提出以來，這種非侵入、高空間分辨率、實(shí)時(shí)成像的技術(shù)得到迅速發(fā)展。掃頻光學(xué)相干層析術(shù)（SSOCT）通過采用掃頻光源和單點(diǎn)探測(cè)器探測(cè)時(shí)間編碼的光譜信息，具備與譜域OCT相同的快速成像能力，同時(shí)兼有時(shí)域OCT的點(diǎn)探測(cè)優(yōu)勢(shì)2,通過對(duì)干涉信號(hào)實(shí)施快速傅里葉變換（FFT）的方法來重建被測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)信息，它的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)探測(cè)到被測(cè)樣品不同深度位置的信號(hào)，只需要對(duì)樣品進(jìn)行橫向掃描即可，無需縱向掃描3.SSOCT系統(tǒng)使

8、用波長(zhǎng)掃描激光光源和平衡探測(cè)型光電探測(cè)器來測(cè)量干涉光譜，在10001300nm波段范圍內(nèi)對(duì)生物組織進(jìn)行成像，組織對(duì)這些波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光有更小的散射，因此增加了成像深度4.目前，SSOCT被廣泛應(yīng)用在光電檢測(cè)，皮膚、眼科和血流檢測(cè)等方面，如Wang等5利用OCT技術(shù)對(duì)水凝膠三維打印進(jìn)行精確控制；He等6利用OCT獲得了視網(wǎng)膜圖像并對(duì)其進(jìn)行了分層；Blatter7利用SSOCT系統(tǒng)對(duì)皮膚進(jìn)行成像并做病理分析；Mariampillai等8利用基于SSOCT系統(tǒng)的散斑方差（SV）算法重構(gòu)出小鼠的血流分布。對(duì)于SSOCT系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能得到所需要的血流強(qiáng)度和相位信息。按成像所需信號(hào)類型有三種方法

9、進(jìn)行血流信息的提取9.一是基于復(fù)數(shù)形式的OCT信號(hào)處理方法，如Wang等10在2007年提出的探測(cè)k空間信號(hào)頻率的變化來得到相位變化的血管造影法（OAG），后稱為光學(xué)微血管造影法（OMAG），以及后來提出的多普勒域處理方法等。二是基于OCT信號(hào)的強(qiáng)度信息的處理方法，對(duì)于處理光源相位不穩(wěn)定的情況有很大優(yōu)勢(shì)，對(duì)相位噪聲不敏感。2005年Barton和Stromski提出血流探測(cè)的散斑概念11,Mariampillai等12提出基于傅里葉域OCT系統(tǒng)的SV算法，Jonathan等13提出一種相關(guān)制圖方法，Blatter等14提出基于傅里葉域鎖模激光器計(jì)算連續(xù)B掃之間強(qiáng)度平方差的方法，Huang等15

10、提出直接計(jì)算相鄰B掃OCT信號(hào)強(qiáng)度之差的方法，Jia等16-17提出分光譜幅度解相關(guān)血管造影法。三是基于OCT信號(hào)的相位信息的處理方法，Leitgeb等18和White等19在2003年提出基于傅里葉域OCT的多普勒OCT,Fingler等20在2007年提出用相鄰B掃的相位方差（PV）計(jì)算橫向血流，Vakoc等21提出幅度權(quán)重相位方差方法監(jiān)控腫瘤環(huán)境，Kurokawa等22提出用多普勒頻移方冪代替像素值的方法。本文提出基于SSOCT的SV算法和部分相位漂移校正的多普勒相位分辨算法的綜合應(yīng)用，對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)和活體實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到毛細(xì)玻璃管中流體、人體皮膚毛細(xì)血管中血流的強(qiáng)度和方向信

11、息。2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及算法原理。2.1 SSOCT系統(tǒng)。圖1為實(shí)驗(yàn)采用的SSOCT的系統(tǒng)示意圖，采用Axsun公司的掃頻光源作為高速掃頻光源，中心波長(zhǎng)為1310nm,帶寬為106nm,掃頻速率為50kHz.掃頻光源輸出的光經(jīng)過環(huán)流器接口1進(jìn)入環(huán)流器，然后由接口2進(jìn)入50…50光纖耦合器，耦合器把光分為兩束分別進(jìn)入雙參考臂和樣品臂，進(jìn)入?yún)⒖脊饴返墓饨?jīng)過分光鏡被分成兩束，分別進(jìn)入兩個(gè)放置在不同深度的同一個(gè)參考臂，參考臂出射的光先通過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光由會(huì)聚透鏡會(huì)聚到平面鏡上再由平面鏡反射回到光纖耦合器中。樣品的后向散射光再沿原路返回到耦合器中與樣品相干用參考臂返回的光發(fā)生干涉，它與另一校正用參考臂由于光程差過大干涉微弱可不予考慮，兩參考臂返回的光也發(fā)生干涉。干涉光由耦合器分為兩束，一束通過環(huán)流器接口2進(jìn)入環(huán)流器，然后從環(huán)流器接口3出射并進(jìn)入平衡探測(cè)器的正