分类：论文范文 发表时间：2021-04-12 09:45
摘要：由于人工分析光学相干层析（ＯＣＴ）图像费时费力、主观及可重复性差，因而快速、精确与客观地检测与量化生物特征标记是ＯＣＴ医学图像研究与疾病诊断的关键。本文综述了光学相干层析（ＯＣＴ）医学图像处理技术与应用的研究进展。介绍了ＯＣＴ成像技术的特点及其主要应用，ＯＣＴ图像处理的难点、基本问题及主要研究内容；讨论了对时域ＯＣＴ和频域ＯＣＴ图像降噪、图像分类与图像分割的重要方法及应用，并分析了各种方法的优缺点及研究发展方向。此外，介绍了偏振敏感光学相干层析（ＰＳ－ＯＣＴ）在医学图像分析中的应用。文中讨论的应用对象涉及到视网膜、角膜、冠脉、前列腺、牙齿、食道、结肠、膀胱、皮肤、乳腺等组织，可为人们综合了解ＯＣＴ图像处理及其应用现状提供丰富的信息。
关键词：光学相干层析；医学图像处理；图像降噪；图像分类；图像分割
１引言
目前，医学影像技术的空间分辨率已达到毫米数量级，可以满足宏观临床诊断的要求。但是，现代医学的发展要求提高疾病早期诊断水平和微观诊疗水平，因此，由宏观影像向微观影像（显微影像学）的转变成为当前医学影像学发展的主要趋势之一。光学相干层析成像（ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒ－ｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＯＣＴ）是一种通过测量物体后向散射光的强度对物体进行断层成像的技术。它由美国麻省理工学院的研究小组于１９９１年首次提出［１］，在此后的２０多年中，经过不断的改进和完善，现已成为一种有独特优势和广阔应用前景的成像手段。目前，ＯＣＴ已经成为继Ｘ射线（Ｘ－ｒａｙｓ）、计算机层析成像（ＣｏｍｐｕｔａｔｅｄＴｏｍｏ－ｇｒａｐｈｙ，ＣＴ）、核磁共振（ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍ－ａｇｉｎｇ，ＭＲＩ）、正电子发射断层成像（ＰｏｓｉｔｒｏｎＥ－ｍｉｓｓｉｏｎＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＰＥＴ）、超声（Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）和共聚焦显微（ＣｏｎｆｏｃａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）等探测技术后的又一全新的成像方法。ＯＣＴ集半导体激光、超快光学、超灵敏探测、电子学、控制科学和计算机图像处理等技术于一体，能无损、快速地获得样品的高分辨断层图像；可以对材料及生物系统内部微观结构进行高分辨率横断面层析成像。因此，ＯＣＴ技术在生物、医学、材料科学等领域具有重要应用前景［２－４］，其未来的应用将会产生巨大的社会效益和经济效益。
２ＯＣＴ图像降噪
斑点噪声使得ＯＣＴ图像中本应连续、清晰的组织结构，例如视网膜中某一层的图像结构被破坏，从而对后续的人工或自动识别、诊断、处理都造成较大的困难。因此，对ＯＣＴ图像降噪和增强方法的研究是ＯＣＴ图像处理的一个重要内容。ＯＣＴ图像中存在的噪声按产生原因、统计性质可以分为很多种，但其中占最大成份、最为重要、影响最严重的是由于ＯＣＴ成像技术本身使用的光学相干性导致的斑点噪声，其主要以乘法噪声的形式存在。ＯＣＴ图像降噪一种常用的方法是，先对原ＯＣＴ图像取对数，从而将乘法噪声转化为加法噪声，最后将降噪后的图像通过一次指数运算得到降噪ＯＣＴ图像。这种解决方法在理论上是可行的，在实际中也是有效的，但是它也有一定的局限性。因为对数运算和指数运算并不是线性运算，将在对数图像上进行的操作还原到原图像上其影响也将不是线性的，所以先后进行对数和指数两次运算将对算法的稳定性造成严重影响。另一种降噪方法是：根据ＯＣＴ图像中乘性斑点噪声的特性设计专门的降噪算法，使其能够直接处理包含乘性斑点噪声的原ＯＣＴ图像，这种方法可以在保留图像中重要特征的同时，有效地抑制斑点噪声。小波和非线性扩散滤波是两种主流的图像降噪方法，近几年来人们已将它们应用到ＯＣＴ图像降噪。本节在论述有关方法的同时，还将介绍稀疏表示和压缩传感方法在ＯＣＴ图像降噪方面的新应用。
３ＯＣＴ图像分类
ＯＣＴ在软组织疾病早期诊断中具有重要应用。受ＯＣＴ成像质量所限，正常组织与异常组织的ＯＣＴ图像结构上的区别不够明显，而纹理上的区分较明显。ＯＣＴ在Ｂａｒｒｅｔｔ食管（ＢＥ）中的研究较多。研究表明，Ｂａｒｒｅｔｔ食管在ＯＣＴ中的特异性表现为灰色鳞状上皮层消失，取而代之的是形态紊乱的结构，比正常上皮厚，并且，可在Ｂａｒｒｅｔｔ食管上皮中发现腺体或腺窝样结构［３１］。Ｔｅａｒｎｅｙ等对体内的研究也证实了利用食管上皮形态的不同可以区分正常和病变组织［３２］。一般的，正常组织的纹理比较规则，异常组织的纹理比较紊乱。但由人眼直接观察ＯＣＴ图像难以可靠地区分健康组织和异常组织，因此，从ＯＣＴ图像中自动提取有效的特征信息，准确地对被测组织的特征进行识别，对计算机辅助诊断具有重要意义。图像自动分类是ＯＣＴ图像自动分析中一个重要的、基本的问题。由于软组织ＯＣＴ图像一般不表现出复杂的结构特征，因此已有的图像分类方法一般都基于纹理特征的分析。另外，根据ＯＣＴ系统的成像特点，ＯＣＴＢ－ｓｃａｎ是由一系列的Ａ－ｓｃａｎ构成的，基于Ａ－ｓｃａｎ信号衰减或特征分析是ＯＣＴ图像分类的又一重要方法。
４ＯＣＴ图像分割
４．１视网膜
视网膜是一个复杂的透明的层状结构体，逆着光线方向从里向外依次为：视网膜色素上皮层（ＲｅｔｉｎａｌＰｉｇｍｅｎｔＥｐｉｔｈｅｌｉｕｍ，ＲＰＥ），内外节层（ＩｎｎｅｒＳｅｇｍｅｎｔｓ／ＯｕｔｅｒＳｅｇｍｅｎｔｓ，ＩＳ／ＯＳ），也叫感光层（ＰｈｏｔｏｒｅｃｅｐｔｏｒＬａｙｅｒ，ＰＬ），外界膜（Ｅｘ－ｔｅｒｎａｌＬｉｍｉｔｉｎｇＭｅｍｂｒａｎｅ，ＥＬＭ），外核层（ＯｕｔｅｒＮｕｃｌｅａｒＬａｙｅｒ，ＯＮＬ），外网层（ＯｕｔｅｒＰｌｅｘｉｆｏｒｍＬａｙｅｒ，ＯＰＬ），内核层（ＩｎｎｅｒＮｕｃｌｅａｒＬａｙｅｒ，ＩＮＬ），内网层（ＩｎｎｅｒＰｌｅｘｉｆｏｒｍＬａｙｅｒ，ＩＰＬ），神经节细胞层（ＧａｎｇｌｉｏｎＣｅｌｌＬａｙｅｒ，ＧＣＬ），视网膜神经纤维层（ＲｅｔｉｎａｌＮｅｒｖｅＦｉｂｅｒＬａｙｅｒ，ＲＮＦＬ），内界膜（ＩｎｎｅｒＬｉｍｉｔｉｎｇＭｅｍｂｒａｎｅ，ＩＬＭ）。包括视网膜在内的人体组织在病变前常常伴随着组织结构形态的改变。高分辨率的视网膜ＯＣＴ图像可清晰地显示视网膜的层状结构，这正是ＯＣＴ成像技术在视网膜早期诊断中具有重要应用的原因。人们对原发性开角型青光眼患者的研究发现，ＲＮＦＬ的厚度与视野缺损呈显著正相关，视网膜神经纤维层厚度越薄，视野缺损越严重。光学相干层析成像可测量视网膜神经纤维层厚度，从而能够用于预防和诊断青光眼。特别是，视乳头周围神经纤维层厚度的记录在青光眼和视神经变性疾病的诊断和随访是很重要的。此外，黄斑裂孔、中心性浆液性脉络膜病变、玻璃体视网膜牵引等眼科疾病结构与健康人眼底结构有着显著不同，黄斑厚度与黄斑水肿、糖尿病、遗传性黄斑病变以及视力有重要联系，因此视网膜层状结构的定量分析对眼科疾病诊治有着重要意义。
４．２眼前节
借助眼前节光学相干层析（ＡｎｔｅｒｉｏｒＳｅｇ－ｍｅｎｔＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＡＳ－ＯＣＴ）成像设备，可以获取眼前节的高分辨率断面成像，这在眼前节疾病诊断和外科手术中具有重要的应用。利用眼前节ＯＣＴ图像可测量角膜的中央厚度、眼前房容积（ＡｎｔｅｒｉｏｒＣｈａｍｂｅｒＶｏｌｕｍｅ，ＡＣＶ）、眼前房深度和瞳孔直径、测量角膜屈光力、测量ＬＡＳＩＫ（Ｌａｓｅｒｉｎ－ｓｉｔｕｋｅｒａｔｏｍｉｌｅｕｓｉｓ）手术中下垂物和剩余的基质床的厚度、测量房角、构建特定病人的人眼生物力学模型、评估隐形眼镜佩戴等。其中，中央角膜厚度的定量测量在人工晶体植入前的安全性评估、角膜移植手术前的方案设计及术后观察、角膜各种病变的诊断上有着重要意义［６６］。ＡＣＶ经常被用于房水动力学的研究、原发性闭角型青光眼等疾病的诊断［６７］。眼前房深度和瞳孔直径的应用也很广泛［６８］。角膜屈光力是由角膜的前后表面决定的，它能够很好地追踪ＬＡＳＩＫ手术引起的屈光力的变化。测量基质床的厚度可提高病人再次进行ＬＡＳＩＫ手术的安全性。测量房角能够客观地反映房角的开闭状况，可用于青光眼的诊断。众所周知，人工分析眼前节ＯＣＴ图像不仅费时费力，可重复性也无法得到有效保证，所以全自动的眼前节ＯＣＴ图像分析算法至关重要。但眼前节ＯＣＴ图像由多种具有不同阻光特性的组织构成，不同部位的成像特点差异较大，同时由于噪声和弱边缘的影响，传统的图像分割算法往往效果不好，需要研究专用的眼前节ＯＣＴ图像分析算法。
参考文献：
［１］ＨＵＡＮＧＤ，ＳＷＡＮＳＯＮＥＡ，ＬＩＮＣＰ，ｅｔａｌ．．Ｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９１，２５４（５０３５）：１１７８－１１８１．
［２］ＺＹＳＫＡＭ，ＢＯＰＰＡＲＴＳＡ．ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｍ］．２ｎｄｅｄｉｔｉｏｎ，ＢｅｒｌｉｎＨｅｉｄｅｌｂｅｒｇ：ＳｐｒｉｎｇｅｒｓｅｒｉｅｓｉｎＯｐｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，２００７，８７：４０１－４３６．
［３］王志斌，史国华，何益，等．光学相干层析技术在光学表面间距测量中的应用［Ｊ］．光学精密工程，２０１２，２０（７）：１４６９－１４７４．ＷＡＮＧＺＨＢ，ＳＨＩＧＨ，ＨＥＹ，ｅｔａｌ．．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｔｏｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓ－ｕｒｅｍｅｎｔｏｆｏｐｔｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．Ｏｐｔ．ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇ．，２０１２，２０（７）：１４６９－１４７４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
孙延奎１，２＊
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