圖像局部信噪比與靜態(tài)體素去相關值的關系及影響因素
在基于強度信息的光學相干斷層掃描血管造影（OCTA）技術中，去相關映射被廣泛應用，但該方法易受噪聲影響，尤其是對于低信噪比區(qū)域，噪聲會使幀間高相關的靜態(tài)組織信號呈現(xiàn)出高去相關性，與血流信號的高去相關值混疊，從而會降低微血管圖像的成像質量。
天津大學精密儀器與光電子工程學院光電信息技術教育部重點實驗室的王露桐團隊，提出了一種基于局部信噪比動態(tài)閾值調節(jié)的分光譜振幅去相關方法，探討了圖像局部信噪比與靜態(tài)體素去相關值的關系及影響因素。
OCTA技術的發(fā)展與挑戰(zhàn)
1、OCTA技術簡介
OCT成像基于光的低相干干涉原理，能夠對生物組織等強散射介質進行非侵入式成像。而OCTA作為OCT的功能成像技術，通過比較不同時間重復采集的體掃描樣品信息，利用紅細胞的動態(tài)散射特性來檢測血流信號，從而實現(xiàn)微血管的無創(chuàng)可視化，在醫(yī)療領域的應用越來越廣泛。
目前常用的相關法（CM）在低信噪比區(qū)域存在問題。在這個區(qū)域，靜態(tài)體素容易受到噪聲影響，其相關值降低，導致與血流信號混疊，降低了微血管圖像的質量。
分頻譜振幅去相關造影（SSADA）方法雖然是在相關法基礎上的改進，但對于低信噪比數(shù)據(jù)，仍然存在缺陷。當單個頻譜因噪聲導致血流信號與靜態(tài)信號混淆時，多個頻譜疊加平均的結果會更差。
閾值相關OCTA方法通過設定去相關閾值排除噪聲對靜態(tài)組織的影響，但閾值選擇缺乏依據(jù)，無法準確處理不同灰度區(qū)域的靜態(tài)體素，可能導致血流信號丟失或噪聲干擾。
創(chuàng)新方法
基于局部信噪比的閾值動態(tài)調整
1、基本原理
我們的研究人員提出了一種基于局部信噪比的閾值動態(tài)調整方法。這里要提到Berger相關方法，它是常用的相關方法，其血流計算公式考慮了被比較像素點的灰度值大小。在理想無噪聲情況下，靜態(tài)體素的去相關值為0，但實際受噪聲影響，靜態(tài)體素的去相關值與體素信噪比呈負相關。
2、計算公式
在這個方法中，參與Berger去相關計算的空間核像素點范圍被擴展到以待計算像素點為中心的矩形窗口內的所有像素點。并且定義了體素Berger去相關系數(shù)（D）和局部信噪比（）的計算公式，其中涉及分頻譜個數(shù)（M）、重復采集次數(shù)（N）、空間窗口橫向和深度方向索引（p、q）以及各位置的振幅等參數(shù)。
3、模擬分析
為了確定靜、動態(tài)體素適應于不同局部信噪比的分類閾值，進行了模擬實驗。實驗用原始光譜傅里葉逆變換后的復信號模擬靜態(tài)信號，設置背景噪聲為高斯白噪聲，最高信噪比約25dB，與現(xiàn)有眼底OCT結構圖像的信噪比水平相當。
計算每個時空核的去相關值D和局部信噪比（SNR）并映射在同一坐標系下。結果顯示，隨著局部信噪比降低，靜態(tài)體素的去相關值增大。時空核越大，參與計算的體素越多，散點分布更緊湊，右邊界線更陡峭，此右邊界線就是自適應去相關閾值。
在探討分頻譜數(shù)和窗口大小的選擇時，發(fā)現(xiàn)分頻譜數(shù)越多，軸向分辨率降低倍數(shù)越高，對軸向位移敏感性越低，但單個分頻譜信息越少，可能橫跨多個細胞使去相關計算失去意義。窗口不能過小或過大，過大無法保證窗口內體素同種分布，最終根據(jù)紅細胞大小、眼底血管直徑和OCT系統(tǒng)縱向分辨率等因素，選取分頻譜數(shù)為4-8，窗口大小為5X5較合適。
4、通過Sigmoid函數(shù)映射過渡處理閾值附近的體素
確定動靜態(tài)體素分類曲線后，信噪比較高的靜態(tài)體素受噪聲影響小，去相關值較低，對微血管圖像干擾較小，無需抑制。分類曲線在去相關值大于0.1的部分可用指數(shù)函數(shù)擬合。
5、算法流程
- 目標提�。函B加平均同一橫向位置連續(xù)采集的N張B-scan，提取目標區(qū)域。
- 分頻譜：采用主瓣寬度盡量窄、旁瓣小、能量集中于主瓣的漢明窗作為窗函數(shù)將原始光譜分割為M個分光譜，相鄰頻譜部分重疊，避免信號截斷導致的頻譜泄漏。
- 計算局部信噪比與去相關值：計算各分頻譜的背景強度平方的均值，然后計算個結構圖像的局部Berger去相關系數(shù)與局部信噪比。
- 靜態(tài)體素抑制：計算對應分類曲線的Sigmoid平滑模板，將去相關值D與信噪比映射到S-D空間中，為每個像素點附加模板因子β，實現(xiàn)對動靜態(tài)體素更準確的分類。
- enface生成：對逐個橫向位置的N張B-scan進行上述處理，并將處理結果沿軸向均值投影，生成最終的enface圖像。
實驗與分析：驗證創(chuàng)新方法的有效性
1、系統(tǒng)搭建
為進行實驗，搭建了眼后節(jié)SS-OCT系統(tǒng)。光源采用、掃頻速度為的掃頻激光光源，光經(jīng)一系列耦合器、掃描振鏡、光學透鏡組等元件后，樣品光聚焦在視網(wǎng)膜上，參考光與樣品光在耦合器中發(fā)生干涉，干涉信號被探測器接收并轉化為電信號，再由采集卡采集傳入計算機處理。同時，光源輸出信號觸發(fā)采集卡，采集卡輸出信號觸發(fā)波形發(fā)生卡驅動二維掃描振鏡實現(xiàn)斷層掃描和體掃描以采集OCTA數(shù)據(jù)。
皮膚血管造影
在高信噪比的皮膚數(shù)據(jù)中，相關映射類方法效果較好。本文算法與相關法成像效果相當且對靜態(tài)體素進行抑制。通過計算enface圖中動態(tài)信號和靜態(tài)組織的信噪比，表明本文算法相比其他算法具有更高的信噪比，能得到更高質量的enface結果。
視網(wǎng)膜血管造影
對于低信噪比的視網(wǎng)膜數(shù)據(jù)，相關法效果往往較差，而本文算法能顯著提升enface圖像質量。對志愿者視網(wǎng)膜進行體掃描，采用本文算法對靜態(tài)體素進行抑制后，能清晰看到血管分布。對比不同方法的成像結果，本文算法對圖像質量提升明顯，大部分靜態(tài)體素被有效抑制，黃斑區(qū)毛細血管更清晰，圖像可視性和對比度顯著提高，且算法具有最高的原始圖像對比度。
總結與展望
1、算法的優(yōu)勢
提出的基于強度信息的分頻譜并結合局部信噪比去除靜態(tài)體素的OCTA算法，拓展了相關計算公式，模擬了靜態(tài)和噪聲體素去相關值與局部信噪比之間的分布規(guī)律，為不同局部信噪比區(qū)域分配動靜態(tài)閾值提供了依據(jù)。
2、算法的局限性及改進方向
算法存在細節(jié)模糊問題，與參與運算的時空核大小有關。在重復采樣次數(shù)為2的情況下，綜合考慮選取的窗口大小。當重復采集次數(shù)增加時，空間核大小可隨之減小，減輕模糊現(xiàn)象。同時，空間核大小需結合樣品種類和掃描空間間隔考量。
背景噪聲方差參與每一個局部逆信噪比的計算，其值必須準確，自適應提取純背景區(qū)域是難點。
3、對醫(yī)療領域的貢獻
盡管存在局限性，但該方法在高、低信噪比數(shù)據(jù)中均能獲得更好的微血管圖像質量，為疾病診斷提供了更可靠的依據(jù)，對醫(yī)療領域的發(fā)展具有重要推動作用。未來研究可進一步優(yōu)化算法，拓展臨床應用領域，或探索與其他成像模態(tài)融合，為醫(yī)療成像技術帶來更多突破。
這種基于局部信噪比閾值調節(jié)的分光譜去相關光學相干斷層掃描血管造影方法為醫(yī)療成像領域帶來了新的希望和方向，我們期待它在未來能為更多患者的疾病診斷和治療提供幫助。
聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于:王露桐, 汪毅, 徐玉帥, 婁世良, 蔡懷宇, 陳曉冬. 基于局部信噪比閾值調節(jié)的分光譜去相關光學相干斷層掃描血管造影方法[J]. 光學學報, 2024, 44(5): 0517001. Lutong Wang, Yi Wang, Yushuai Xu, Shiliang Lou, Huaiyu Cai, Xiaodong Chen. Split-Spectrum Threshold Decorrelation Optical Coherence Tomography Angiography Method Based on Local Signal-to-Noise Ratio[J]. Acta Optica Sinica, 2024, 44(5): 0517001.
