一种基于OCT信号的生物组织光学衰减系数提取方法

本发明涉及光学成像，特别涉及一种基于oct信号的生物组织光学衰减系数提取方法。

背景技术：

1、光学相干层析成像(opt i ca l coherence tomography,oct)是一种日益成熟的光学成像技术，因其具有无创、实时及高分辨率等优势，在临床上得到了越来越广泛的应用。尽管oct技术在形态学成像上表现出色，传统的oct成像结果长期以来面临一个局限，即它们主要揭示组织的结构形态，而对于组织内部的物理特性和生理状态的信息尚不够充分。现阶段临床上对oct成像结果的识别方法仍主要依赖于医生的主观判断，这导致对一些特征相近的病灶评估过程效率低、标准模糊且缺乏客观的评价量化标准。光学衰减系数的定量分析在多种组织的分类评估中已被证实具有独特且重要的意义，精确量化生物组织的光学衰减系数，能够为病理分析提供更客观且统一的定量分析工具。

2、在目前经典的基于oct信号的光学衰减系数提取方法中，深度分辨模型是一种常见的方法，但其所提取的光学衰减系数值极易受到oct信号中噪声的干扰。另有一种基于迭代蒙特卡洛模拟以求解组织光学特征参数的方法，但由于蒙特卡洛模拟的时间复杂性，通过迭代拟合参数的方式在临床应用中是不可接受的。除了对蒙特卡洛模拟进行加速外，还可以从使用数据驱动的方式训练模型来完成这项任务。但是数据驱动方法最重要的是需要足够的数据用于训练，从实际组织中标注光学特征参数是非常困难的。

3、为解决上述问题，这里提出一种基于oct信号的生物组织光学衰减系数提取方法。

技术实现思路

1、本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于oct信号的生物组织光学衰减系数提取方法，通过快速蒙特卡洛模拟生成不同噪声水平的oct仿真数据，并利用卷积神经网络训练模型，实现了在含有噪声的oct成像条件下实时准确地估计生物组织的光学衰减系数，提高了诊断精度和效率，减少了主观误差，增强了系统的鲁棒性，提高了实际临床应用的可行性。

2、本公开的第一方面，提供一种基于oct信号的生物组织光学衰减系数提取方法，包括：

3、使用蒙特卡洛模拟方法生成包含不同噪声水平的oct仿真结果的仿真结果数据集；

4、将所述仿真结果数据集输入光学衰减系数训练模型并利用卷积神经网络方法进行训练，得到光学衰减系数估计模型；

5、利用所述光学衰减系数估计模型估计不同oct成像结果下的光学衰减系数。

6、进一步的，所述使用蒙特卡洛模拟方法生成包含不同噪声水平的oct仿真结果包括：

7、创建网格化的三维组织模型并将其划分为多个四棱锥单元，每个单元可被赋予特定的物理与光学属性；

8、在所述三维组织模型上设定多个光子，并追踪每一个光子从进入所述三维组织模型到离开所述三维组织模型表面，或是被所述三维组织模型完全吸收的轨迹；

9、根据所述光子的轨迹，利用光学干涉原理计算得到所述三维组织模型oct仿真结果；

10、将每个所述三维组织模型oct仿真结果的光学特性参数对应地量化为与仿真分辨率匹配的矩阵形式，建立仿真结果数据集。

11、进一步的，所述创建网格化的三维组织模型并将其划分为多个四棱锥单元包括：

12、确立坐标系(x，y，z)，将所述三维组织模型的深度轴正向定义为沿z轴方向；

13、在所述坐标系上定义一系列点及由点构成的四棱锥单元，得到多个所述的四棱锥单元及其编号，并在每个四棱锥单元中定义光学特征参数。

14、进一步的，所述在所述三维组织模型上设定多个光子并追踪其轨迹包括通过下列公式：

15、

16、

17、模拟高斯聚焦光束特性设定多个光子的初始发射位置及其传播方向，其中(x',y',z')为光子经过被聚焦前的位置向量，zf是高斯聚焦光束焦点的z坐标，(x,y,z)和(vx,vy,vz)分别为经过虚拟透镜后的光子位置和方向向量，f为透镜的焦距，r(z)是高斯光束深度z处的曲率半径，其中，

18、

19、zr为瑞利长度,zr＝πw02/λ，λ为光的波长,w0为焦点处的光束半径。

20、进一步的，所述根据所述光子轨迹，利用光学干涉原理计算得到oct在所述三维组织模型指定位置的a扫描仿真结果包括根据公式计算：

21、

22、其中，i(z)为所述三维组织模型在指定位置的a扫描仿真结果，i0为表征成像系统的常数，np为光子总数，wi为光子返回时剩余的权重，λ为光的波长，z为成像深度，li为光子总计走过的路程长度，lc为光源相干长度。

23、进一步的，通过改变发射器的位置，可以运行oct的b扫描和c扫描仿真。

24、进一步的，所述方法还包括对计算所述三维组织模型oct仿真结果的加速处理，所述加速处理包括：

25、使用openmp预处理器指令在cpu上实现多线程并行运算，针对运算中没有串行逻辑的部分进行并行优化；

26、和/或使用cuda在gpu上的并行运算，将计算密集的光子传输过程在核函数中实现在gpu上并行计算，并将不同层级的数据合理的放置在gpu不同的内存结构中，其余i/o数据处理部分则在主机上执行。

27、进一步的，所述建立仿真结果数据集包括：

28、将每次仿真所得仿真结果的图像平面的光学特性参数对应地量化为与仿真分辨率匹配的矩阵形式；

29、引入随机噪声增强，通过拼接与复制进行数据增广，生成256*256大小的数据对，按照17:2:1的比例将所有数据分为训练集、验证集和测试集。

30、进一步的，所述将所述仿真结果数据集输入光学衰减系数训练模型并利用卷积神经网络方法进行训练，得到光学衰减系数估计模型包括：

31、将所述仿真结果数据集输入光学衰减系数训练模型；

32、利用u-net网络通过优化损失函数不断优化模型，所述损失函数为均方误差损失函数mse，所述优化模型中使用adam优化器，以0.001的初始学习率进行训练，学习率以每个批次10-6的速率减少，以每次24组数据的大小同时进行训练，训练100个迭代周期。

33、本公开的第二方面，提供一种电子设备，包括：

34、一个或多个处理器；

35、存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现上述中任一项基于oct信号的生物组织光学衰减系数提取方法。

36、本公开的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时能实现上述中任一项基于oct信号的生物组织光学衰减系数提取方法。

技术特征：

1.一种基于oct信号的生物组织光学衰减系数提取方法，其特征在于，所述提取方法包括：

2.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述使用蒙特卡洛模拟方法生成包含不同噪声水平的oct仿真结果包括：

3.根据权利要求2所述的提取方法，其特征在于，所述创建网格化的三维组织模型并将其划分为多个四棱锥单元包括：

4.根据权利要求2所述的提取方法，其特征在于，所述在所述三维组织模型上设定多个光子并追踪其轨迹包括通过下列公式：

5.根据权利要求2所述的提取方法，其特征在于，所述根据所述光子轨迹，利用光学干涉原理计算得到oct在所述三维组织模型指定位置的a扫描仿真结果包括根据公式计算：

6.根据权利要求2所述的提取方法，其特征在于，所述方法还包括对计算所述三维组织模型oct仿真程序的加速处理，所述加速处理包括：

7.根据权利要求2所述的提取方法，其特征在于，所述建立仿真结果数据集包括：

8.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述将所述仿真结果数据集输入光学衰减系数训练模型并利用卷积神经网络方法进行训练，得到光学衰减系数估计模型包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时能实现根据权利要求1至8中任一项所述基于oct信号的生物组织光学衰减系数提取算法。

技术总结本公开提供一种基于OCT信号的生物组织光学衰减系数提取方法，包括：使用蒙特卡洛模拟方法生成包含不同噪声水平的OCT仿真结果的仿真结果数据集，将仿真结果数据集输入光学衰减系数训练模型并利用卷积神经网络方法进行训练，得到光学衰减系数估计模型，利用光学衰减系数估计模型估计不同OCT成像结果下的光学衰减系数。本公开的实施例提供的一种基于OCT信号的生物组织光学衰减系数提取方法，通过快速蒙特卡洛模拟生成不同噪声水平的OCT仿真数据，并利用卷积神经网络训练模型，实现了在含有噪声的OCT成像条件下实时准确地估计生物组织的光学衰减系数，提高了诊断精度和效率，减少了主观误差，增强了系统的鲁棒性，提高了实际临床应用的可行性。技术研发人员：李勤,魏宇康,张晓,魏泽文,胡晓明受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10