本文介绍的是浙江大学光电科学与工程学院李鹏副教授课题组对OCTA算法及其应用进行的系统性综述，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2021年第1期。

ID-OCTA: OCT angiography based on inverse SNR and decorrelation features

Huakun Li, Kaiyuan Liu, Lin Yao, Xiaofeng Deng, Ziyi Zhang and Peng Li

研究背景

光学相干层析成像（opticalcoherencetomography, OCT）技术基于光学低相干干涉原理，能够实现生物组织内部非侵入式、实时、高分辨率的结构成像。凭借其“光学切片”的能力，OCT技术已经发展为一种重要的生物医学成像技术。

作为OCT的一种功能成像手段，光学相干血流造影（OCTangiography, OCTA）技术利用血红细胞作为内源性运动对比机制，实现了毛细血管水平快速的三维血流造影。由于其非侵入、非接触以及无标记成像的优势，OCTA技术已经被广泛用于包括眼科、皮肤科、神经科学等领域的临床诊断及科学研究。自从OCTA技术第一次被用于探测血流（基于多普勒原理），为了提高血流造影的灵敏度和对比度，研究人员提出了大量的OCTA算法。

内容简介

本文对OCTA算法及其应用进行了系统性的综述，主要包括基于随机矢量和模型的无标记血流造影运动对比机制，基于信噪比倒数-去相关系数（inverse SNR-decorrelation, ID）特征空间的信噪比自适应ID-OCTA算法，基于Hessian矩阵分析的形态滤波器，采用自适应时空（spatio-temporal, ST）核的定量OCTA算法以及OCTA技术的应用。这些研究对于提高OCTA技术的性能，拓展其在科学研究及临床诊断中的应用具有重要意义。

图文导读

1.复数去相关

图1：复数去相关计算原理图。（a）血管及周围的静态组织。（b）相邻帧动态血流区域和静态组织区域的OCT信号。（c）动态区域及静态区域相关系数随着去相关计算延迟时间的变化。

动态血流区域的OCT信号随时间改变，而静态组织区域的信号保持稳定。因此，通过计算相同位置不同时间点采集到的OCT信号的相关性，动态血流显示出低相干性（或者高去相关值），而静态组织显示出高相干性（或低去相关值），基于此能够区分动静态信号。

2.ID-OCTA算法

图2：采用流体样品数据验证ID-OCTA算法的有效性。（a）流体样品的结构断层图，左半部分为静态区域，右半部分为动态区域。虚线框表示映射到ID空间的区域。左侧插入图说明信噪比随着深度衰减。（b）去相关值断面图。（c）流体样品数据及提出的ID-OCTA分类器在ID空间的映射结果。静态和噪声信号用蓝色散点标记，不同扫描时间间隔的动态信号用红色（9.9ms）和绿色（3.3ms）的散点标记。对应的理论渐近关系用黑色实线表示，ID-OCTA分类器阈值用品红色虚线表示，cmOCT中的阈值用绿色虚线表示。椭圆框圈出的区域表示被cmOCT去除的动态信号。（d）ID-OCTA算法得到的血流造影断面图，黑色虚线表示cmOCT得到的动态区域边界。

如图2（b），总体来说动态区域呈现出更大的去相关值，静态区域的去相关值更小。然而由于随机噪声的影响，深处的静态区域也展现出高去相关值。图2（c）呈现了动静态信号在ID空间的分布，静态和噪声信号分布在理论的ID渐近线周围（图2（c）中黑色实线）并且可以有效地被ID-OCTA分类器确定的阈值（图2（c）中品红色虚线）去除。作为对比，在correlationmappingOCT（cmOCT）中，一个全局的强度阈值（图2（c）中绿色虚线）被用于去除低信噪比的信号。因此，相较cmOCT，ID-OCTA提高了低信噪比区域动态信号的可见度。

3.形态滤波器

图3：血管形状示意图及三维Hessian滤波器的效果。（a）理想的血管展现出连续的管状结构。Hessian滤波前（b）和滤波后（c）的血流造影投影图。（d）和（e）为图（b）和（c）对应虚线框的局部放大图。比例尺为400μm。

在原始的血流造影投影图中（图3（b）、3（d）），存在大量的噪声，而基于三维Hessian矩阵分析的形态滤波器显著改善了血流对比度和血管的连续性（图3（c）、3（e））。

4.大鼠脑中风模型研究

图4：大鼠脑血管缺血性中风模型的长期OCTA成像监测。Baseline和day1分别代表光血栓前以及光血栓形成当日的投影图。绿色圆圈表示激光照射30min的区域。右下角为第一天典型的组织切片。比例尺为1mm。

在光血栓阻塞形成前，大脑中动脉远端、脑膜微血管及皮层毛细血管都清晰可见，在第一天（光血栓形成后1h），局部缺血区域的血流信号全部消失。在之后的三天，伴随着辐射区域以外毛细血管的消失，局部缺血区域显著扩大，而周围区域的大血管的结构保持不变但是直径扩大。从第五天开始，缺血区域和周边区域出现大量的新血管。OCTA技术能够准确评估恢复期血流灌注的时空动态变化，对了解这些血管疾病的病理特征有重要意义。

5.小鼠视网膜成像

图5：小鼠视网膜的ID-OCTA造影结果。（a）~（e）分别为视网膜全层（深度采用颜色编码），浅层血管丛（superficial vascular plexus, SVP），中层血管丛（intermediate vascular plexus, IVP）以及深层血管丛（deep vascular plexus, DVP）和脉络膜的血管造影投影图。比例尺为0.5mm。

实验室系统采用的谱域OCT系统中心波长为840nm，线扫描速率为120kHz。512个A扫描组成一个B扫描，从512个断层位置采集到的1536个B扫描帧（每个位置重复3次），对应的采集时间为6.6s。

6.血液动力学响应研究

图6：刺激引起的大鼠大脑皮层血液动力学响应。（a）大鼠大脑皮层和透明的皮层电极阵列的照片，黄色圆点为激活的电极。红色虚线表示OCT的B-扫描位置。（b）以去相关系数为对比度的断层图像。（c）以强度加权的去相关系数作为对比度的ID-OCTA断层图像。（d）采用不同设置时对刺激（0.5mA/20pulses）的血液动力学响应：采用固定大小ST核，在EMD滤波前（灰色）及滤波后（黑色），采用自适应ST核，在EMD滤波器前（青色）及滤波后（红色）。血液动力学信号在整个B扫描帧上平均（图6（c）中所有的血管）。（e）采用spatio（S，虚线）核和自适应ST核（实线），对不同刺激（红色：0.5mA/20pulses，蓝色：0.2mA/20pulses，绿色：0.5mA/1pulse，黑色：空白）的血液动力学响应。对单根血管进行平均运算（图6（c）中红色箭头所示）。对所有曲线进行EMD滤波。

通过减去基准状态下的去相关值，刺激引起的血液动力学响应以去相关值的变化来呈现。对比图6（d）中未经滤波的原始曲线（青色和灰色实线），采用自适应大小的ST核（青色）在不改变曲线的整体形状的情况下，有效地抑制了意外的运动伪像（图6（d）中红色箭头处）和高频的波动。此外，如图9（e）所示，自适应大小的ST核相较S核有更大的动态范围，同时提高了不同刺激的区分度。

PI简介

李鹏，浙江大学光电科学与工程学院副教授，博士生导师。长期从事光学相干成像技术及应用研究，发展了运动/光强/图形多维特征空间OCTA等系列技术。在IEEE TMI、JCBFM、OL、BOE等期刊发表SCI论文60余篇。获得浙江省杰出青年基金资助、华为等企业资助，主持各类国家、省部级项目6项。申请/授权国际国内发明专利20余件，实现专利成果医疗产业转化1件。