Способ цветового доплеровского картирования в эндоскопической оптической когерентной томографии

Предлагаемое изобретение относится к области измерений для диагностических целей, в частности измерений характеристик тока крови в живом организме, и может быть использовано в медицине и ветеринарии при проведении медицинских обследований внутренних полостей или трубовидных органов тела путем осмотра с применением эндоскопов, а также в физике для исследований и анализа материалов или объектов с помощью инфракрасного излучения.

Проблемы с кровообращением в глазных сосудах являются первопричиной многих офтальмологических заболеваний. Существует довольно много методов диагностики внутриглазного кровотока, однако большинство из них имеют одни и те же недостатки. Офтмальмодинамометрия (оценка кровообращения в глазных сосудах по изменению внутриглазного давления), офтальмоплетизмография (оценка внутриглазного кровообращения по изменению объема глазного яблока в ходе сердечного цикла) и резонансная офтальмовелосиметрия (оценка внутриглазного кровообращения по скорости и амплитуде перемещения роговицы) являются косвенными, контактными методами и обладают не высокой точностью, а также позволяют оценивать лишь общую глазную гемодинамику, без привязки к конкретным сосудам. Дуплексное сканирование линейным датчиком (5-10 МГц) и ультразвуковой А-скан (8-10 МГц), хоть и являются прямыми методами, но также контактны и позволяют оценивать лишь общую глазную гемодинамику, без привязки к конкретным сосудам. Важным преимуществом доплеровской оптической когерентной томографии, т.е. цветового доплеровского картирования в оптической когерентной томографии является возможность совместного получения структурного изображения исследуемого объекта с высоким пространственными разрешением и картограммы локализации, направлений и скоростей потоков в сосудах, запечатленных на этом структурном изображений.

Принципиально возможны, как минимум, три подхода к цветовому доплеровскому картированию в оптической когерентной томографии: анализ фазовой информации (позволяют определить продольную компоненту скорости потока), анализ интенсивности интерференционного сигнала (позволяют определить скорость потока по динамике возникновения спеклов) и комплексный анализ сигнала (помимо продольной компоненты скорости потока и динамики возникновения спеклов может быть оценена поперечная компонента скорости потока).

По патенту US 20090005691 А1, МПК А61В 3/10 и А61В 5/026, опубл. 14.08.2012 г. известны способ и система для измерения кровотока с использованием доплеровской оптической когерентной томографии. Способ измерения кровотока с использованием доплеровской оптической когерентной томографии включает в себя: сканирование исследуемого объекта по определенной схеме сканирования, содержащей сканирование по меньшей мере в двух плоскостях, причем указанные плоскости пересекаются с кровеносными сосудами внутри исследуемого объекта, сбор получаемых при сканировании интерференционных сигналов, анализ полученных интерференционных сигналов для определения углов между каждым из кровеносных сосудов и падающим излучением и вычисления доплеровских сдвигов, при этом процедура анализа содержит в себе сравнение данных, соответствующих двум или более плоскостям в схеме сканирования, в которой эти плоскости пересекают один и тот же сосуд, определение объемной скорости кровотока с использованием вычисленных величин доплеровских сдвигов и углов между каждым из кровеносных сосудов и падающим излучением. Известны варианты способа измерения кровотока с использованием доплеровской оптической когерентной томографии в которых: используется такая схема сканирования, при которой плоскости сканирования пересекают все кровеносные сосуды входящие и выходящие из исследуемой области; используется такая схема сканирования, при которой плоскости сканирования пересекают кровеносные сосуды не под прямым углом; используется такая схема сканирования, при которой вместо плоскостей формируются концентрические окружности, совокупности параллельных линий и дуг; используется схема двойного кругового сканирования; сканирование производится строго в течении одного сердечного цикла; расстояние между плоскостями сканирования не менее 300 микрометров; объемный кровоток определяется путем суммирования объема кровотока в венах; дополнительно содержится стадия коррекции искажений в собранных интерференционных сигналах, вызванных микродвижениями исследуемого объекта; дополнительно содержится стадия коррекции фазовой декорреляции сигнала; исследуемый объект является человеком, а указанной область сканирования является его глазом; на стадии определения объемной скорости кровотока вычисляют двумерное распределение скоростей по поперечному сечению кровеносного сосуда, коэффициент пульсаций, поперечное и продольное состояние сосуда.

Способ и система для измерения кровотока с использованием доплеровской оптической когерентной томографии предназначены для использования главным образом в офтальмологии. Техническим результатом способа является эффективное, быстрое, чувствительное, неинвазивное и точное измерения кровотока in vivo.

Недостатком данного способа является низкая точность определения скоростей потоков биологических жидкостей в исследуемом объекте, вызванная, тем, что геометрически не всегда возможно (а в случае сканирования сетчатки глаза - практически всегда невозможно) провести сканирование исследуемого объекта под углом между сканирующим лучом и потоком крови в сосуде не равным 90° или не близким к этому прямому углу.

По патенту US 7894046 В2, МПК G01P 3/36, опубл. 22.02.2011 г. известен способ обработки двухмерных данных в доплеровской оптической когерентной томографии, включающий в себя: генерирование низкокогерентного излучения, разделение пучка излучение от источника излучения на опорный пучок и пучок плеча образца, фазовую модуляцию излучения с определенной частотой, непрерывное сканирование исследуемого объекта содержащего кровеносный сосуд с потоком крови сгенерированным низкокогерентным излучением, детектирование обратно рассеянного излучения, обнаружение интерференционных полос, демодулирование детектируемого излучения в синфазную и квадратурную составляющие, обработку синфазных и квадратурных сигналов для формирования томографического структурного изображения, обработку синфазных и квадратурных сигналов с использованием автокорреляционных подходов для получения средней частоты обратного рассеяния, обработку информации о средней частоты обратного рассеяния для формирования картограммы потоков в исследуемом объекте, обработку этой картограммы потоков и томографического структурного изображения для формирования единого изображения, характеризующего как строение исследуемого объекта, так и местоположения и скорости потоков в нем. Известны варианты способа обработки двухмерных данных в доплеровской оптической когерентной томографии в которых: передача излучения производится по множеству оптических волокон; действия по генерированию низкокогерентного излучения, разделению пучка излучение от источника излучения на опорный пучок и пучок плеча образца, фазовой модуляции излучения с определенной частотой, непрерывному сканированию исследуемого объекта содержащего кровеносный сосуд с потоком крови сгенерированным низкокогерентным излучением и детектированию обратно рассеянного излучения производятся в волоконно-оптическом интерферометре Майкельсона; действия происходящие в волоконно-оптическом интерферометре Майкельсона дополнены для оптимизации контрастности получаемых интерференционных полос согласованием полярности и выравниванием разностей длин оптического пути излучения в опорном плече и плече образца; производится корректировка изменений показателя преломления между внутренней средой исследуемого объекта и потоком жидкости.

Способ обработки двухмерных данных в доплеровской оптической когерентной томографии предназначен для картирования потоков жидкостей внутри исследуемых объектов с использованием автокорреляционной функции Касаи. Техническим результатом способа является визуализация скоростей потоков жидкостей в широком диапазоне, т.е. начиная от скоростей, соответствующих микроциркуляции крови в капиллярах и до скоростей кровотока в артериях.

Недостатком данного способа является низкая точность определения скоростей потоков биологических жидкостей в исследуемом объекте, вызванная, тем, что автокорреляционные подходы и в частности, автокорреляционная функция Касаи имеет 2π-неопределенности (ситуации, когда сдвиг фазы одной интерферограммы относительно соседней достигает 2π и теряется пропорциональность скорости потока сдвигу фазы), к тому же с увеличением частоты сканирования у автокорреляционной функции Касаи ухудшается соотношение сигнал/шум.

По патенту US 20150157205 А1, МПК А61В 3/12, А61В 3/00 и А61В 3/10, опубл. 11.06.2015 г. известны способ и система для количественной доплеровской оптической когерентной томографии. Способ количественной доплеровской оптической когерентной томографии включает в себя: первое и второе сканирование исследуемого объекта с помощью оптической когерентной томографии, причем второе сканирование с помощью оптической когерентной томографии производится в пределах области первого сканирования, а областью сканирования является участок сетчатки в окрестности головки зрительного нерва, производится определение изменения фазы (фазового сдвига) между интерференционными сигналами полученными при первом и втором сканировании объекта, определяется связанный с изменением фазы угол между кровеносным сосудом и сканирующими лучами, вычисляются количественные характеристики кровотока в сосуде с использованием данных об изменениях в фазе интерференционного сигнала и сведениях об угле между кровеносным сосудом и сканирующими лучами, причем по меньшей мере один из этапов выполняется по меньшей мере одним процессором. Известны варианты способа для количественной доплеровской оптической когерентной томографии в которых: дополнительно производится третье сканирование исследуемой области, причем для той же исследуемой области, производится вычисление второго изменения фазы, вновь определяются угол между сосудом и сканирующими лучами и производится количественная оценка кровотока в сосуде; производится визуализация полученных результатов, в частности изменений увеального кровотока; областью сканирования является хориоидальная область; при визуализации полученных результатов в качестве фона используется изображение лица пациента, чтобы показать координатную привязку к месту сканирования; вычисляется функциональная взаимосвязь между измеренными величинами увеального кровотока и кровотока в сетчатке глаза.

Способ количественной доплеровской оптической когерентной томографии предназначен для проведения измерений внутриглазного кровотока и, как следствие из этого диагностики и мониторинга прогрессирования офтальмологических заболеваний. Техническим результатом способа является количественная оценка кровотока.

Недостатком данного способа является низкая точность определения скоростей потоков биологических жидкостей в исследуемом объекте, вызванная, тем, что при вычислении фазового сдвига в интерференционном сигнале, часто возникают ситуации, когда сдвиг фазы одной интерферограммы относительно соседней достигает 2π и теряется пропорциональность скорости потока сдвигу фазы.

Ближайшим аналогом (прототипом) разработанного способа является способ допплерографии ретинального кровотока с высоким временным разрешением (патент WO 2015044366 А1, МПК А61В 3/10 и А61В 3/12, опубл. 02.04.2016 г.) включающий в себя: сканирование исследуемого объекта (сетчатки человеческого глаза) пучком излучения и получение при этом первого набора интерференционных сигналов, определение местоположения кровеносных сосудов на основе фазовых сдвигов в первом наборе интерференционных сигналов, повторное сканирование исследуемого объекта пучком излучения и получение при этом второго набора интерференционных сигналов, причем область сканирования выбирается исходя из определенных ранее местоположений кровеносных сосудов и плотность второго сканирования в областях кровеносных сосудов преднамеренно повышается относительно плотности сканирования в участках исследуемого объекта без сосудов, определение кровотока на основании фазовых сдвигов для второго набора интерференционных сигналов, визуализация или сохранение информации связанной с найденными количественными характеристиками кровотока. Известны варианты способа допплерографии ретинального кровотока с высоким временным разрешением в которых: первый набор интерференционных сигналов является объемным; дополнительно содержатся действия по определению ориентации кровеносных сосудов относительно сканирующего пучка излучения; производится корректировка вычисленных направлений потоков на основании указанных сведений об ориентации кровеносных сосудов; производится мониторинг местоположения кровеносных сосудов с последующим сохранением или дальнейшей обработкой сведений об этих местоположениях, причем эта обработка включает в себя определение углов между сканирующим пучком и кровеносными сосудами.

Способ допплерографии ретинального кровотока с высоким временным разрешением предназначен для повышения эффективности использования оптической когерентной томографии в задачах оценки кровообращения в сетчатке глаза. Техническим результатом способа является повышение быстродействия оценки ретинального кровотока и снижение влияния микродвижений глаза на получаемые изображения.

Недостатком данного способа является низкая точность определения скоростей потоков биологических жидкостей в исследуемом объекте, вызванная, тем, что при вычислении фазового сдвига в интерференционном сигнале, часто возникают ситуации, когда сдвиг фазы одной интерферограммы относительно соседней достигает 2π и теряется пропорциональность скорости потока сдвигу фазы.

Технической задачей способа является повышение точности определения скоростей потоков биологических жидкостей в исследуемом объекте за счет учета не только фазовых сдвигов в интерференционном сигнале и косвенно связанного с ними доплеровского сдвига несущей частоты, но и динамики флуктуаций спеклов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что способ цветового доплеровского картирования в эндоскопической оптической когерентной томографии, также как и способ, который является ближайшим аналогом, включает сканирование исследуемого объекта пучком излучения и получение при этом первого набора интерференционных сигналов, определение местоположения кровеносных сосудов на основе первого набора интерференционных сигналов, повторное сканирование исследуемого объекта пучком излучения и получение при этом второго набора интерференционных сигналов, причем область сканирования выбирается исходя из определенных ранее местоположений кровеносных сосудов, в частности, ориентации кровеносных сосудов относительно сканирующего пучка излучения и углов между сканирующим пучком и кровеносными сосудами, определение кровотока на основании фазовых сдвигов для второго набора интерференционных сигналов, визуализацию или сохранение информации, связанной с найденными количественными характеристиками кровотока.

Новым в разработанном способе цветового доплеровского картирования в эндоскопической оптической когерентной томографии является то, что первый набор интерференционных сигналов и второй набор интерференционных сигналов получают таким образом, чтобы каждый из них независимо содержал данные, достаточные для построения не менее двух последовательных по времени структурных изображений эндоскопической оптической когерентной томографии, производится очистка первого набора интерференционных сигналов и второго набора интерференционных сигналов от помех посредством порогового ограничения уровня интерференционного сигнала и полосовой фильтрации с заданными нижними и верхними частотами среза полосовых фильтров, причем величины уровня интерференционного сигнала, а также нижних и верхних частот среза при обработке первого набора интерференционных сигналов и второго набора интерференционных сигналов могут отличаться, определение местоположения кровеносных сосудов для первого набора интерференционных сигналов и для второго набора интерференционных сигналов производится посредством анализа различий в спекл-структуре структурных изображений соответствующих наборов интерференционных сигналов, при определении кровотока на основании фазовых сдвигов для второго набора интерференционных сигналов производится вычисление направлений движения и скоростей для каждого из потоков крови, результирующее структурное изображение исследуемого объекта строится посредством усреднения структурных изображений второго набора интерференционных сигналов, данные о местоположении кровеносных сосудов, вычисленные для второго набора интерференционных сигналов на основании различий в спекл-структуре и анализа фазовых сдвигов усредняются и принимаются за фон для картограммы местоположений, направлений и скоростей потоков крови, которая в свою очередь строится посредством кодирования различных направлений кровотока заданными неповторяющимися цветами, а различных скоростей кровотока их неповторяющимися оттенками, результирующее структурное изображение совмещается с картограммой местоположений, направлений и скоростей потоков крови с получением при этом цветовой доплеровской картограммы, независимой визуализации и сохранению подвергаются результирующее структурное изображение, картограмма местоположений, направлений и скоростей потоков крови и цветовая доплеровская картограмма.

На фиг. 1 в виде блок-схемы проиллюстрирована последовательность действий при получении цветовых доплеровских картограмм в эндоскопической оптической когерентной томографии в соответствии с формулой изобретения. Рассмотрим подробнее сущность предложенного способа (фиг. 1) с использованием конкретных примеров.

Осуществляется получение первого набора интерференционных сигналов посредством сканирования с помощью эндоскопического оптического когерентного томографа участка исследуемой ткани с кровеносными сосудами, причем первый набор интерференционных сигналов должен содержать данные достаточные для получения не менее двух последовательных во времени В-сканов.

Полученный первый набор данных интерференционных сигналов для удаления различных шумов подвергается предварительной обработке. Такая обработка включает в себя пороговое ограничение с заданным порогом интенсивности интерференционного сигнала и полосовую фильтрацию, например, фильтром Баттерворта 5-го порядка с заданными верхней и нижней частотами среза полосового фильтра.

Далее производится определение местоположений кровеносных сосудов на основе анализа флуктуаций спекл-структур. Такой анализ, например, может быть проведен посредством оценки дисперсии спеклов по следующей формуле:

где Fr - количество анализируемых фреймов (В-сканов); ƒi, ƒj, ƒk - соответственно, индекс текущего фрейма и две координаты пикселя в этом фрейме.

Осуществляется получение второго набора интерференционных сигналов, аналогично первому набору, но с направлением сканирования, уточненным на основе сведений о местоположениях кровеносных сосудов. Второй набор интерференционных сигналов очищается от помех по аналогии с первым набором интерференционных сигналов.

Производится построение результирующего структурного изображения участка исследуемой ткани посредством усреднения всех предварительно обработанных В-сканов второго набора интерференционных сигналов.

Выполняется оценка местоположений кровеносных сосудов в участке исследуемой ткани на основе анализа различий в спекл-структуре В-сканов из второго набора интерференционных сигналов, по аналогии с подобным действием для первого набора интерференционных сигналов.

Осуществляется определение местоположений кровеносных сосудов и скоростей кровотока в них в участке исследуемой ткани на основе анализа фазовых сдвигов в интерференционных сигналах из второго набора интерференционных сигналов. Для этого среднее изменение фазы, например, вычисляется с помощью адаптированной к задачам доплеровского картирования в оптической когерентной томографии автокорреляционной функции Касаи (названа в честь, Rinshi S. Kasai):

где - среднее изменение фазы комплексного сигнала; Na - количество анализируемых А-сканов; - порядковый номер А-скана; I_a и Q_a - действительная и мнимая части комплексного сигнала Г_a=I_a+iQ_a.

Доплеровский сдвиг несущей частоты и скорость для каждого потока биологической жидкости вычисляются с использованием следующих формул:

где ƒ - доплеровский сдвиг частоты; Т_А - временной интервал между соседними А-сканами; - аксиальная частота сканирования в опорном плече устройства эндоскопической оптической когерентной томографии.

где V - искомая скорость потока биологической жидкости, n_med - показатель преломления среды (биологической ткани).

Производится усреднение сведений о местоположении кровеносных сосудов, вычисленных на основе различий в спекл-структуре и фазовых сдвигов. Усредненное изображение принимается за фон для картограммы местоположений, направлений и скоростей потоков крови, которая формируется на основании сведений рассчитанных с помощью адаптированной к задачам доплеровского картирования в оптической когерентной томографии автокорреляционной функции Касаи.

Цветовая доплеровская картограмма формируется посредством совмещения результирующего структурного изображения с картограммой местоположений, направлений и скоростей потоков крови. Полученные структурные и функциональные изображения в эндоскопической оптической когерентной томографии визуализируется посредством пользовательского интерфейса, например, выводятся в графическом формате на дисплее ноутбука.

Серия компьютерных и физических экспериментов показала, что повышение точности определения скоростей потоков биологических жидкостей в исследуемом объекте при использовании предложенного способа составило чуть менее 20% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о выполнении поставленной технической задачи.

Предлагаемый способ цветового доплеровского картирования в эндоскопической оптической когерентной томографии может быть использован в медицине и ветеринарии для визуализации скоростей и направлений движения потоков крови и лимфы при диагностических исследованиях в офтальмологии, онкологии, гастроэнтерологии, отоларингологии, урологии, гинекологии и т.п., а также в физике для неразрушающего контроля, например, при процессе производства жидких кристаллов или за перемещениями подвижных частей микроэлектромеханических систем.