图像局部信噪比与静态体素去相关值的关系及影响因素
在基于强度信息的光学相干断层扫描血管造影（OCTA）技术中，去相关映射被广泛应用，但该方法易受噪声影响，尤其是对于低信噪比区域，噪声会使帧间高相关的静态组织信号呈现出高去相关性，与血流信号的高去相关值混叠，从而会降低微血管图像的成像质量。
天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室的王露桐团队，提出了一种基于局部信噪比动态阈值调节的分光谱振幅去相关方法，探讨了图像局部信噪比与静态体素去相关值的关系及影响因素。
OCTA技术的发展与挑战
1、OCTA技术简介
OCT成像基于光的低相干干涉原理，能够对生物组织等强散射介质进行非侵入式成像。而OCTA作为OCT的功能成像技术，通过比较不同时间重复采集的体扫描样品信息，利用红细胞的动态散射特性来检测血流信号，从而实现微血管的无创可视化，在医疗领域的应用越来越广泛。
目前常用的相关法（CM）在低信噪比区域存在问题。在这个区域，静态体素容易受到噪声影响，其相关值降低，导致与血流信号混叠，降低了微血管图像的质量。
分频谱振幅去相关造影（SSADA）方法虽然是在相关法基础上的改进，但对于低信噪比数据，仍然存在缺陷。当单个频谱因噪声导致血流信号与静态信号混淆时，多个频谱叠加平均的结果会更差。
阈值相关OCTA方法通过设定去相关阈值排除噪声对静态组织的影响，但阈值选择缺乏依据，无法准确处理不同灰度区域的静态体素，可能导致血流信号丢失或噪声干扰。
创新方法
基于局部信噪比的阈值动态调整
1、基本原理
我们的研究人员提出了一种基于局部信噪比的阈值动态调整方法。这里要提到Berger相关方法，它是常用的相关方法，其血流计算公式考虑了被比较像素点的灰度值大小。在理想无噪声情况下，静态体素的去相关值为0，但实际受噪声影响，静态体素的去相关值与体素信噪比呈负相关。
2、计算公式
在这个方法中，参与Berger去相关计算的空间核像素点范围被扩展到以待计算像素点为中心的矩形窗口内的所有像素点。并且定义了体素Berger去相关系数（D）和局部信噪比（）的计算公式，其中涉及分频谱个数（M）、重复采集次数（N）、空间窗口横向和深度方向索引（p、q）以及各位置的振幅等参数。
3、模拟分析
为了确定静、动态体素适应于不同局部信噪比的分类阈值，进行了模拟实验。实验用原始光谱傅里叶逆变换后的复信号模拟静态信号，设置背景噪声为高斯白噪声，最高信噪比约25dB，与现有眼底OCT结构图像的信噪比水平相当。
计算每个时空核的去相关值D和局部信噪比（SNR）并映射在同一坐标系下。结果显示，随着局部信噪比降低，静态体素的去相关值增大。时空核越大，参与计算的体素越多，散点分布更紧凑，右边界线更陡峭，此右边界线就是自适应去相关阈值。
在探讨分频谱数和窗口大小的选择时，发现分频谱数越多，轴向分辨率降低倍数越高，对轴向位移敏感性越低，但单个分频谱信息越少，可能横跨多个细胞使去相关计算失去意义。窗口不能过小或过大，过大无法保证窗口内体素同种分布，最终根据红细胞大小、眼底血管直径和OCT系统纵向分辨率等因素，选取分频谱数为4-8，窗口大小为5X5较合适。
4、通过Sigmoid函数映射过渡处理阈值附近的体素
确定动静态体素分类曲线后，信噪比较高的静态体素受噪声影响小，去相关值较低，对微血管图像干扰较小，无需抑制。分类曲线在去相关值大于0.1的部分可用指数函数拟合。
5、算法流程
- 目标提取：叠加平均同一横向位置连续采集的N张B-scan，提取目标区域。
- 分频谱：采用主瓣宽度尽量窄、旁瓣小、能量集中于主瓣的汉明窗作为窗函数将原始光谱分割为M个分光谱，相邻频谱部分重叠，避免信号截断导致的频谱泄漏。
- 计算局部信噪比与去相关值：计算各分频谱的背景强度平方的均值，然后计算个结构图像的局部Berger去相关系数与局部信噪比。
- 静态体素抑制：计算对应分类曲线的Sigmoid平滑模板，将去相关值D与信噪比映射到S-D空间中，为每个像素点附加模板因子β，实现对动静态体素更准确的分类。
- enface生成：对逐个横向位置的N张B-scan进行上述处理，并将处理结果沿轴向均值投影，生成最终的enface图像。
实验与分析：验证创新方法的有效性
1、系统搭建
为进行实验，搭建了眼后节SS-OCT系统。光源采用、扫频速度为的扫频激光光源，光经一系列耦合器、扫描振镜、光学透镜组等元件后，样品光聚焦在视网膜上，参考光与样品光在耦合器中发生干涉，干涉信号被探测器接收并转化为电信号，再由采集卡采集传入计算机处理。同时，光源输出信号触发采集卡，采集卡输出信号触发波形发生卡驱动二维扫描振镜实现断层扫描和体扫描以采集OCTA数据。
皮肤血管造影
在高信噪比的皮肤数据中，相关映射类方法效果较好。本文算法与相关法成像效果相当且对静态体素进行抑制。通过计算enface图中动态信号和静态组织的信噪比，表明本文算法相比其他算法具有更高的信噪比，能得到更高质量的enface结果。
视网膜血管造影
对于低信噪比的视网膜数据，相关法效果往往较差，而本文算法能显著提升enface图像质量。对志愿者视网膜进行体扫描，采用本文算法对静态体素进行抑制后，能清晰看到血管分布。对比不同方法的成像结果，本文算法对图像质量提升明显，大部分静态体素被有效抑制，黄斑区毛细血管更清晰，图像可视性和对比度显著提高，且算法具有最高的原始图像对比度。
总结与展望
1、算法的优势
提出的基于强度信息的分频谱并结合局部信噪比去除静态体素的OCTA算法，拓展了相关计算公式，模拟了静态和噪声体素去相关值与局部信噪比之间的分布规律，为不同局部信噪比区域分配动静态阈值提供了依据。
2、算法的局限性及改进方向
算法存在细节模糊问题，与参与运算的时空核大小有关。在重复采样次数为2的情况下，综合考虑选取的窗口大小。当重复采集次数增加时，空间核大小可随之减小，减轻模糊现象。同时，空间核大小需结合样品种类和扫描空间间隔考量。
背景噪声方差参与每一个局部逆信噪比的计算，其值必须准确，自适应提取纯背景区域是难点。
3、对医疗领域的贡献
尽管存在局限性，但该方法在高、低信噪比数据中均能获得更好的微血管图像质量，为疾病诊断提供了更可靠的依据，对医疗领域的发展具有重要推动作用。未来研究可进一步优化算法，拓展临床应用领域，或探索与其他成像模态融合，为医疗成像技术带来更多突破。
这种基于局部信噪比阈值调节的分光谱去相关光学相干断层扫描血管造影方法为医疗成像领域带来了新的希望和方向，我们期待它在未来能为更多患者的疾病诊断和治疗提供帮助。
声明：本文仅用作学术目的。文章来源于:王露桐, 汪毅, 徐玉帅, 娄世良, 蔡怀宇, 陈晓冬. 基于局部信噪比阈值调节的分光谱去相关光学相干断层扫描血管造影方法[J]. 光学学报, 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.
