校準(zhǔn)和圖像處理設(shè)備、方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及成像系統(tǒng)，更具體地，涉及圖像數(shù)據(jù)收集探針、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、光學(xué)相干斷層掃描和相關(guān)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)相干斷層掃描(0CT)是在眼科學(xué)、心臟學(xué)、腸胃學(xué)和其他領(lǐng)域中廣泛地應(yīng)用的干涉成像技術(shù)。在干涉成像中，來(lái)自已知和可控光學(xué)路徑(‘參考路徑’)的光與從未知路徑返回的光發(fā)生干涉，使得可以通過(guò)分析所得到的干涉圖來(lái)確定關(guān)于該未知路徑(‘樣本路徑’)的信息。干涉圖包含被分析的樣本內(nèi)的結(jié)構(gòu)的深度位置信息。0CT的具體優(yōu)點(diǎn)在于其與光纖的固有兼容性，使其成為非侵入性或微創(chuàng)醫(yī)療過(guò)程的近乎理想的成像方式。
[0003]通常，對(duì)于0CT系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，樣本和干涉路徑的長(zhǎng)度相匹配以確保被記錄的干涉效應(yīng)對(duì)應(yīng)于樣本內(nèi)的期望掃描區(qū)域。在許多過(guò)程中要求的相對(duì)較長(zhǎng)光學(xué)導(dǎo)管(通常近似為1.5至2米)的情況下，這種匹配難以實(shí)現(xiàn)。此外，在這些導(dǎo)管中使用的光纖可在使用期間容易地伸展或者收縮幾毫米。
[0004]當(dāng)使用0CT時(shí)，光學(xué)“零點(diǎn)”是必不可少的。其在圖像空間中限定了哪里存在所謂的參考平面。通過(guò)約定，表面平面在χ-y平面中，并且沿著z軸為深度。例如在顯微鏡應(yīng)用中，可以有利地將零點(diǎn)設(shè)置在顯微鏡載片的表面處，使得可以抵靠該已知表面測(cè)量樣本。對(duì)于插入到內(nèi)腔(諸如血管)中的導(dǎo)管來(lái)說(shuō)，最有用的參考表面是導(dǎo)管尖端本身的外表面，并且從該位置開始向外測(cè)量所有距離。
[0005]0TC系統(tǒng)通常使用光學(xué)成像設(shè)備內(nèi)的可調(diào)參考路徑來(lái)根據(jù)使用狀況調(diào)整每個(gè)導(dǎo)管。這通常使用參考電機(jī)進(jìn)行處理，其中參考電機(jī)可以來(lái)回移動(dòng)諸如參考反射鏡的反射器以調(diào)整參考路徑。
[0006]給定的醫(yī)療應(yīng)用可以每天使用許多一次性導(dǎo)管；所有都與相同的成像設(shè)備交互。因此，雖然主路徑長(zhǎng)度調(diào)整可以非常有效地工作，但其通常要求理解光學(xué)反射圖案的本領(lǐng)域技術(shù)人員的初始調(diào)整或者將被0CT記錄的導(dǎo)管的‘識(shí)別標(biāo)志’，以確定如何將參考路徑調(diào)整為與導(dǎo)管尖端的外表面一致。
[0007]再次，通過(guò)調(diào)整參考臂的主路徑長(zhǎng)度來(lái)執(zhí)行圖像零點(diǎn)或參考面位置的調(diào)整。這種調(diào)整通常被稱為參考臂的“z偏移”并且經(jīng)由電機(jī)(簡(jiǎn)稱為z偏移電機(jī))和可移動(dòng)參考鏡進(jìn)行控制。按照慣例，當(dāng)如設(shè)計(jì)一樣精確制造樣本臂長(zhǎng)度(導(dǎo)管)時(shí)，設(shè)備Z偏移為零；當(dāng)導(dǎo)管太短時(shí)為負(fù)；以及當(dāng)導(dǎo)管太長(zhǎng)時(shí)為正。電機(jī)移動(dòng)可用于以一致的方式來(lái)調(diào)整用于不同的導(dǎo)管的參考路徑。
[0008]基于0CT導(dǎo)管的探針通常包括光束引導(dǎo)結(jié)構(gòu)(諸如透鏡或反射器)，該光束引導(dǎo)結(jié)構(gòu)被放置在它們的遠(yuǎn)端處以聚集和引導(dǎo)用于掃描目的的光。光通常傳播通過(guò)一個(gè)或多個(gè)透明鞘，其中透明鞘包括其中設(shè)置有光纖的導(dǎo)管外部結(jié)構(gòu)并與透鏡或反射器進(jìn)行光學(xué)通信。每個(gè)光學(xué)界面都可以引起將被0CT檢測(cè)到的反射。因此，在確定這些反射器中的哪一個(gè)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的期望光學(xué)參考點(diǎn)(‘零點(diǎn)’)方面存在挑戰(zhàn)。
[0009]由于基于這種零點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行測(cè)量，所以正確地進(jìn)行設(shè)置可以顯著影響給定醫(yī)療應(yīng)用的結(jié)果。此外，由于可能存在多種緊密間隔和類似的強(qiáng)度反射，所以檢測(cè)適當(dāng)零偏移(‘z偏移’)的軟件的使用存在問(wèn)題且是不可靠的。此外，作為進(jìn)一步的復(fù)雜性，由于成像系統(tǒng)和這種系統(tǒng)使用的基于一次性導(dǎo)管的探針隨時(shí)間發(fā)生變化，所以用于一個(gè)系統(tǒng)的軟件通常不被設(shè)計(jì)用于不同的0CT探針。校準(zhǔn)漂移和其他成像人為因素也會(huì)影響拉回后檢查幀期間(frames post-pullback)的圖像質(zhì)量。
[0010]因此，需要適合用于校準(zhǔn)0CT系統(tǒng)的方法、設(shè)備和系統(tǒng)。假定光學(xué)接口信號(hào)的復(fù)雜性，需要在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)收集探針或基本數(shù)據(jù)的環(huán)境下處理這種信號(hào)的附加技術(shù)、軟件模塊和設(shè)備。此外，還需要適合于在完成拉回之后處理校準(zhǔn)漂移和相關(guān)問(wèn)題的圖像處理技術(shù)。此夕卜，方法、設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)該能夠利用不同類型的一次性數(shù)據(jù)收集探針進(jìn)行工作。本發(fā)明解決了這些需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]部分地，本發(fā)明涉及各種圖像數(shù)據(jù)收集探針設(shè)計(jì)，其包括校準(zhǔn)部件(calibrat1nfeature)以區(qū)別探針類型并且在使用給定類型的數(shù)據(jù)收集探針時(shí)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。被配置為不依賴于電機(jī)相關(guān)的偏移改變的在完成拉回之后使用圖像處理技術(shù)執(zhí)行連續(xù)校準(zhǔn)的方法和系統(tǒng)也是本發(fā)明的實(shí)施例。給定校準(zhǔn)部件的放置或特性可用于識(shí)別不同類型的數(shù)據(jù)收集探針。此外，可以在識(shí)別0CT系統(tǒng)使用的導(dǎo)管類型時(shí)規(guī)定可針對(duì)給定導(dǎo)管類型執(zhí)行的具體校準(zhǔn)步驟。
[0012]本發(fā)明還包括各種圖像數(shù)據(jù)處理軟件模塊和用于這種模塊的模塊化或封裝以及涉及它們的序列配置的處理方法?？梢詮牡谝卉浖K(諸如連續(xù)校準(zhǔn)模塊)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)或其他數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或存儲(chǔ)器中預(yù)取0CT數(shù)據(jù)幀，并且隨后預(yù)取用于第二軟件模塊，諸如分支血管檢測(cè)。這種預(yù)取可擴(kuò)展到多個(gè)軟件模塊，諸如成像處理和濾波模塊。
[0013]血管內(nèi)成像探針結(jié)構(gòu)部件的使用及其特性(諸如0CT圖像數(shù)據(jù)幀中的相關(guān)強(qiáng)度圖案)可用于識(shí)別感興趣的校準(zhǔn)特征或者特征被誤識(shí)別為感興趣的校準(zhǔn)部件的情況。例如，映射到特定結(jié)構(gòu)部件和其光學(xué)識(shí)別標(biāo)志區(qū)域的0CT圖像中的暗或低強(qiáng)度區(qū)域可用作濾波或圖案識(shí)別算法的一部分以在搜索感興趣的校準(zhǔn)部件時(shí)篩選出錯(cuò)誤的光學(xué)界面信號(hào)。以這種方式，可以以更高的精度識(shí)別具有反射的拼接、基本為穿透式的玻璃部件以及光散射校準(zhǔn)部件。在一個(gè)實(shí)施例中，使用成像處理方法和軟件模塊，搜索在拉回期間相對(duì)于數(shù)據(jù)收集探針移動(dòng)的校準(zhǔn)部件，以在完成拉回之后執(zhí)行連續(xù)校準(zhǔn)。
[0014]部分地，本發(fā)明提供了檢測(cè)設(shè)置在具有血管壁的血管中的校準(zhǔn)部件的方法，使用血管內(nèi)成像探針來(lái)掃描血管。該方法包括以下步驟:將在血管中拉回(pullback throughthe vessel)期間獲得的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中，圖像數(shù)據(jù)包括多幀，每一幀都包括掃描線；針對(duì)多幀中的第一幀平均掃描線以獲取斑點(diǎn)減少的第一幀；在斑點(diǎn)減少的第一幀中識(shí)別估計(jì)出現(xiàn)校準(zhǔn)部件的區(qū)域；識(shí)別校準(zhǔn)部件的候選樣本；使用校準(zhǔn)部件的至少一部分的厚度識(shí)別由候選樣本限定的區(qū)域；以及對(duì)候選樣本擬合曲線以限定斑點(diǎn)減少的第一幀中的校準(zhǔn)部件的邊界。
[0015]本發(fā)明還提供了檢測(cè)設(shè)置在具有血管壁的血管中的校準(zhǔn)部件的方法，使用血管內(nèi)成像探針掃描血管。該方法包括以下步驟:將在血管中拉回期間獲得的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中，圖像數(shù)據(jù)包括多幀，每一幀都包括掃描線；針對(duì)多幀中的第一幀平均掃描線以獲取斑點(diǎn)減少的第一幀；在斑點(diǎn)減少的第一幀中識(shí)別期望出現(xiàn)校準(zhǔn)部件的區(qū)域；使用第一空間濾波器識(shí)別校準(zhǔn)部件的候選像素；使用第二空間濾波器識(shí)別由候選像素限定的區(qū)域，第二空間濾波器具有校準(zhǔn)部件的至少一部分的厚度；以及對(duì)候選像素?cái)M合曲線以限定斑點(diǎn)減少的第一幀中的校準(zhǔn)部件的邊界。
[0016]在一些實(shí)施例中，血管內(nèi)成像探針包括光纖和與光纖進(jìn)行光學(xué)通信的光束定向器。校準(zhǔn)部件可以是包括聚合物的基本透明的彎曲保護(hù)套的基本橢圓形截面。橢圓形截面可具有第一環(huán)形區(qū)域和第二環(huán)形區(qū)域，并且第二環(huán)形區(qū)域可摻雜有光散射材料。該厚度可以是第二環(huán)形區(qū)域的環(huán)形厚度，并且第二環(huán)形區(qū)域同心地設(shè)置在第一環(huán)形區(qū)域中。
[0017]在一些實(shí)施例中，該方法還可以包括:從附接至血管內(nèi)成像探針的設(shè)備接收該厚度的步驟。
[0018]在一些實(shí)施例中，該方法還可以包括使用該厚度搜索第二環(huán)形區(qū)域的步驟。
[0019]在一些實(shí)施例中，該方法還可以包括以下步驟:在校準(zhǔn)部件內(nèi)旋轉(zhuǎn)光纖和光束定向器并生成血管的截面的圖像。該圖像包括具有第一光學(xué)強(qiáng)度的第一環(huán)形區(qū)域和具有第二光學(xué)強(qiáng)度的第二環(huán)形區(qū)域，第二光學(xué)強(qiáng)度亮于第一光學(xué)強(qiáng)度。
[0020]在一些實(shí)施例中，該方法還可以包括以下步驟:針對(duì)多幀中的第二幀平均掃描線以獲取斑點(diǎn)減少的第二幀；在斑點(diǎn)減少的第二幀中識(shí)別估計(jì)出現(xiàn)校準(zhǔn)部件的區(qū)域；使用第一空間濾波器識(shí)別校準(zhǔn)部件的候選樣本；使用厚度為校準(zhǔn)部件的至少一部分的第二空間濾波器識(shí)別由候選樣本限定的區(qū)域；以及對(duì)候選樣本擬合曲線以限定斑點(diǎn)減少的第二幀中的校準(zhǔn)部件的邊界。
[0021]在一些實(shí)施例中，該方法還可以包括以下步驟:在幀的一條或多條掃描線中識(shí)別具有第一強(qiáng)度的暗區(qū)域；以及如果第二強(qiáng)度大于第一強(qiáng)度，則排除在暗區(qū)域中出現(xiàn)的具有第二強(qiáng)度的光學(xué)信號(hào)。
[0022]在一些實(shí)施例中，使用一個(gè)或多個(gè)濾波器執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)識(shí)別步驟。
[0023]在一些實(shí)施例中，該方法還可以包括以下步驟:當(dāng)邊界的形狀是不規(guī)則的或者超過(guò)形狀閾值時(shí)，拒絕與校準(zhǔn)部件的邊界相關(guān)聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)。
[0024]部分地，本發(fā)明還提供了一種血管內(nèi)圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括存儲(chǔ)器和與存儲(chǔ)器通信的處理器。存儲(chǔ)器包括可被處理器執(zhí)行的指令以使處理器:使用在多幀中的兩幀或多幀之間改變的橢圓形校準(zhǔn)部件連續(xù)地校準(zhǔn)包括截面圖像的多幀，多幀包括在血管中拉回探針期間收集的數(shù)據(jù)；檢測(cè)多幀中的導(dǎo)絲；以及顯示多個(gè)連續(xù)校準(zhǔn)的幀。
[0025]在一些實(shí)施例中，連續(xù)地校準(zhǔn)包括:在多幀中的至少大多數(shù)幀中識(shí)別橢圓形校準(zhǔn)部件。
[0026]在一些實(shí)施例中，使用選自由校準(zhǔn)部件的非同心定位、校準(zhǔn)部件的圓形輪廓、校準(zhǔn)部件的周長(zhǎng)測(cè)量、校準(zhǔn)部件的面積測(cè)量、校準(zhǔn)部件的較亮環(huán)形子集的厚度、校準(zhǔn)部件的較亮環(huán)形子集的厚度和校準(zhǔn)部件的摻雜區(qū)域的厚度所組成的組中的一個(gè)或多個(gè)約束來(lái)執(zhí)行識(shí)別橢圓形校準(zhǔn)部件。
[0027]在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)還可以包括可被處理器執(zhí)行的指令以使處理器:將多幀劃分為多個(gè)窗并橫跨多個(gè)窗相對(duì)于橢圓形校準(zhǔn)部件的測(cè)量值擬合曲線。
[0028]在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可以包括可被處理器執(zhí)行的指令以使處理器:在連續(xù)校準(zhǔn)的幀中檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)分支血管并在一個(gè)或多個(gè)連續(xù)校準(zhǔn)的幀上顯示分支血管。
[0029]在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括可被處理器執(zhí)行的指令以使處理器:針對(duì)連續(xù)校準(zhǔn)的幀基于每一幀檢測(cè)血管的內(nèi)腔；以及在連續(xù)校準(zhǔn)的幀中顯示血管的內(nèi)腔。
[0030]在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括可被處理器執(zhí)行的指令以使處理器:對(duì)于連續(xù)校準(zhǔn)的幀基于每一幀檢測(cè)引導(dǎo)導(dǎo)管。
[0031]在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括可被處理器執(zhí)行的指令以使處理器:檢測(cè)支架支柱；以及在一個(gè)或多個(gè)連續(xù)校準(zhǔn)的幀上顯示支架支柱。
[0032]在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括可被處理器執(zhí)行的指令以使處理器:在連續(xù)校準(zhǔn)的幀中基于每一幀檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)分支血管；在連續(xù)校準(zhǔn)的幀中基于每一幀檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)支架支柱；對(duì)于連續(xù)校準(zhǔn)基于每一幀檢測(cè)血管的內(nèi)腔；以及在一個(gè)或多個(gè)連續(xù)校準(zhǔn)的幀上顯示分支血管、一個(gè)或多個(gè)支架支柱和內(nèi)腔。
[0033]在一些實(shí)施例中，橢圓形校準(zhǔn)部件包括第一邊界，并且該邊界在兩幀或多幀之間改變。
[0034]在一些實(shí)施例中，橢圓形校準(zhǔn)部件包括設(shè)置在第一邊界內(nèi)的第二邊界，并且第二邊界在兩幀或多幀之間改變。
[0035]在一些實(shí)施例中，連續(xù)地校準(zhǔn)多幀包括:在生成校準(zhǔn)掃描線的幀之前校準(zhǔn)每條掃描線。
[0036]在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括可被處理器執(zhí)行的指令以使處理器:響應(yīng)于第一邊界的形狀或者校準(zhǔn)部件跟蹤的丟失而生成警告。
[0037]在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)濾波器核被配置為識(shí)別一個(gè)或多個(gè)強(qiáng)度圖案或數(shù)據(jù)收集探針特征，包括但不限于諸如來(lái)自鞘的環(huán)形摻雜區(qū)域、諸如與玻璃或其他基本無(wú)反射結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的暗環(huán)或帶的低強(qiáng)度區(qū)域的強(qiáng)度圖案的校準(zhǔn)部件(來(lái)自光纖的第一部分和光纖的第二部分之間的拼接的反射、來(lái)自灌封層的反射)以及設(shè)置在隨著探針旋轉(zhuǎn)在不同位置處成像的成像區(qū)域中的校準(zhǔn)部件。
[0038]在一個(gè)實(shí)施例中，可基于每條掃描線來(lái)應(yīng)用濾波器核。在一個(gè)實(shí)施例中，濾波器核可以被配置為沿著給定掃描線匹配環(huán)的高或低區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，第一部分和第二部分是干涉儀的樣本臂的部分。在一個(gè)實(shí)施例中，基于摻雜環(huán)形校準(zhǔn)部件的厚度來(lái)觸發(fā)特定濾波器核的選擇。在一個(gè)實(shí)施例中，摻雜環(huán)形校準(zhǔn)部件的厚度、摻雜環(huán)形校準(zhǔn)部件的散射顆粒濃度或者其他探針專用的校準(zhǔn)部件可使用標(biāo)簽來(lái)編碼，其標(biāo)簽可以被掃描器讀取并被傳輸至校準(zhǔn)軟件模塊用于響應(yīng)于編碼厚度選擇特定的濾波器核。在一個(gè)實(shí)施例中，標(biāo)簽在場(chǎng)標(biāo)簽或RFID標(biāo)簽附近。在一個(gè)實(shí)施例中，掃描器可以是探針接口單元的一部分。
[0039]在一個(gè)實(shí)施例中，濾波器核(諸如卷積矩陣)被實(shí)施為包括行和列以及被配置為執(zhí)行圖像處理(用于執(zhí)行強(qiáng)度、加強(qiáng)、圖案識(shí)別、檢測(cè)、跟蹤和其他圖像處理任務(wù))的元素的矩陣。濾波器核可用于各種處理和其他處理級(jí)以對(duì)0CT圖像數(shù)據(jù)或其他圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行圖像處理。在一個(gè)實(shí)施例中，術(shù)語(yǔ)“預(yù)取”表示預(yù)先從被另一系統(tǒng)或處理請(qǐng)求或處理的這種數(shù)據(jù)的一個(gè)源中獲取數(shù)據(jù)。雖然如前所述，但本文所討論的術(shù)語(yǔ)的范圍不用于限制而只是澄清它們的用戶，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠結(jié)合術(shù)語(yǔ)的最廣泛含義。
[0040]在一個(gè)實(shí)施例中，使用圖像處理技術(shù)而非使用電機(jī)位置影響校準(zhǔn)，可以在完成拉回之后執(zhí)行圖像數(shù)據(jù)的幀的校準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以在軟件中處理并且基于每一幀執(zhí)行基于電機(jī)的校準(zhǔn)之后的不同光纖變化。例如，可以使用連續(xù)校準(zhǔn)處理)(諸如圖像處理模塊)基于每一幀來(lái)校正與光纖拉伸或血管移動(dòng)(諸如由于心肌收縮)相關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤?；诿恳粠櫼苿?dòng)或者使校準(zhǔn)部件變形以及處理可以模仿校準(zhǔn)部件的錯(cuò)誤信號(hào)是本發(fā)明的實(shí)施例。
[0041]在一個(gè)實(shí)施例中，具有基本為圓形或橢圓形截面的細(xì)長(zhǎng)鞘以圖案(諸如環(huán)、帶或其他環(huán)形區(qū)域或多環(huán)形區(qū)域)摻雜有多種散射元素?？梢韵鄬?duì)于摻雜鞘拉回光學(xué)探針，使得生成數(shù)據(jù)的圖像幀，其中摻雜區(qū)域的圖案的出現(xiàn)沿著拉回在一幀或多幀中改變、移動(dòng)或變形。
[0042]在一個(gè)實(shí)施例中，細(xì)長(zhǎng)鞘被配置為傳輸適合于生成血管或其組成的圖像的光。在一個(gè)實(shí)施例中，基本為圓形或橢圓形