DETECTION AND CORRECTION OF PHASE DISCONTINUITY IN THE INTERFERENCE SIGNAL OF OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY BY USING HOUGH TRANSFORMATION

DETECTION AND CORRECTION OF PHASE DISCONTINUITY IN THE INTERFERENCE SIGNAL OF OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY BY USING HOUGH TRANSFORMATION

Anton Potlov

Ph.D., Associate Professor, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

Kristina Savinova

Ph.D. student, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ХАФА ПРИ ОБНАРУЖЕНИИ И КОРРЕКЦИИ РАЗРЫВОВ ФАЗЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО СИГНАЛА ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

Потлов Антон Юрьевич

канд. техн. наук, доц., Тамбовский государственный технический университет,

РФ, г. Тамбов

Савинова Кристина Сергеевна

аспирант, Тамбовский государственный технический университет,

РФ, г. Тамбов

Исследование выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (проект МК-231.2022.4).

Оптическая когерентная томография (ОКТ) – метод неинвазивной медицинской визуализации основанный на [1,2]: зондировании исследуемого биообъекта низкокогерентным излучением из первого NIR I (700 – 900 нм)  или второго (1000 – 1400 нм) терапевтического окон прозрачности биологических тканей; детектировании обратно отраженных и малократно рассеянных назад фотонов; компьютерном анализе полученных интерференционных сигналов. Современные ОКТ-системы чаще всего работают в частотной (спектральной) области, где детектируемый сигнал представляет собой комплексное число, , в котором действительная, , и мнимая, , части, соответственно являются косинусной и синусной квадратурами [3]. При этом величина амплитуды, , для каждого отсчета вычисляется как модуль комплексного сигнала (длина вектора):

а фаза, , для совокупности отсчетов вычисляется как аргумент (угол между  вектором и положительным направлением действительной оси) того же комплексного сигнала:

Амплитуда в основном используется для построения структурных ОКТ-изображений [4], а фаза обычно подвергается более глубокому анализу, т.к. фазовые сдвиги связаны с движениями и деформациями [5,6]. Однако, если сдвиг фазы достигает  возникает неоднозначность в интерпретации данных (рис. 1).

Рисунок 1. Разность между фазами, извлеченными из комплексных ОКТ-сигналов во время деформирующего воздействия и до этого воздействия

Устранение вышеуказанных (рис. 1) неопределенностей осуществляется посредством развертывания фазы [7-9], основанного на предположении, что истинные значения фазы для двух последовательных отсчетов одного А-скана близки друг к другу (рис. 2а). Значит разность фазы можно привести к диапазону  посредством добавления или вычитание -го целого количества периодов. Целью работы является повышение эффективности работы этой процедуры в ситуациях, суперпозиции объемных движений и деформаций.

(а)

(б)

Рисунок 2. Неоднозначность (2π-неопределенность) фазы, на примере 100-го А-скана: (a) – до развертывания фазы, (б) – после развертывания предложенным методом. Текущие значения фазы показаны красными точками, зеленым цветом приведены линии тренда

Для достижения поставленной цели предлагается осуществлять развертывание фазы в пределах одного А-скана с учетом информации от всех соседних А-сканов (рис. 2б). В частности, предлагается детектировать разрывы в фазе для всего В-скана с использованием преобразования Хафа. Вышеуказанные разрывы при таком подходе будет представлять собой совокупность кривых заданного семейства [10], критерием принадлежности к которому является фазовый контраст между соседними отсчетами выше порогового уровня. Далее при развертывании фазы для текущего А-скана сведения о геометрии разрывов фазы для всего массива данных в целом будет является априорной информацией [4,9]. Которую, например, можно использовать следующим образом: если для текущего отсчета текущего А-скана обнаружена –неопределенность в интерпретации фазового сдвига и априорная информация свидетельствует о том, отсчет соответствует участку протяженного разрыва фазы на В-скане, то фазу следует развернуть классическим образом; в иных случаях –неопределенность признается вызванной помехами при детектировании интерференционного сигнала [10].

Серия экспериментов с развертыванием межстрочных и межкадровых изменений фазы [4,5] показала повышение достоверности полученных интерферограмм на 14.3% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о достижении поставленной цели.

Список литературы:

1. Lin Y., Leartprapun N., Adie S.G. Spectroscopic photonic force optical coherence elastography // Optics Letters. –  2019. –  Vol. 44. –  Is. 19. – pp. 4897-4900.
2. Ughi G.J., Larsson M., Dubois C., Sinnaeve P.R., Desmet W., D'Hooge J., Adriaenssens T., Coosemans M. Automatic three-dimensional registration of intravascular optical coherence tomography images // Journal of Biomedical Optics. –  2012. – Vol. 17. – No. 2. –  Art. No. 026005.
3. Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Tuchin V.V. Quantification of tissue optical properties: perspectives for precise optical diagnostics, phototherapy and laser surgery // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2016. –  Vol. 49. – No. 50. –  Art. No. 501001.
4. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Синдеев С.В. Способ определения модуля продольной упругости стенки кровеносного сосуда на основе эндоскопической оптической когерентной томографии // Патент России № 2669732. 2018. Бюл. № 29.
5. Потлов А.Ю., Фролов С.В., Фролова Т.А. Способ определения модуля сдвига для стенки кровеносного сосуда на основе интраваскулярной оптической когерентной томографии // Патент России № 2742917. 2021. Бюл. № 5.
6. Larin K.V., Scarcelli G., Yakovlev V.V. Optical elastography and tissue biomechanics // Journal of Biomedical Optics. – 2019. –  Vol. 24. –  No. 11. – Art. No. 110901.
7. Zhou P., Zhu T., He C., Li Z. Automatic classification of atherosclerotic tissue in intravascular optical coherence tomography images // Journal of the Optical Society of America A. – 2017. –  Vol. 34. –  Is. 7. –  pp. 1152-1159.
8. Kennedy B.F., Kennedy K.M., Sampson D.D. A Review of Optical Coherence Elastography: Fundamentals, Techniques and Prospects // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. – 2014. – Vol. 20. –  No. 2. –  Art. No. 7101217. – pp. 272-288.
9. Frolov S.V., Potlov A.Y., Frolova T.A., Proskurin S.G. Compression elastography and endoscopic optical coherence tomography for biomechanical properties evaluation of cerebral arteries walls with aneurysm and their phantoms // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2140. – art. No. 020020.
10. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Фролова Т.А. Реконструкция структурных изображений эндоскопической оптической когерентной томографии посредством учета спекл-паттернов // Инженерный вестник Дона. – 2020. – №10. – С.1-11.