超大范围光学相干微血管造影拼接技术：互相关VS相位相关

在医学影像领域，光学相干断层扫描（OCT）和光学相干断层扫描血管造影（OCTA）技术具有重要的应用价值。然而，当前临床OCT系统的扫描范围有限，为了获得大视野图像，通常需要采用图像配准算法将多个小范围图像拼接成一个大规模图像。

但是该方法需要待配准图像之间具有较大重叠区域才能成功配准，这导致大范围成像的扫描效率低，容易引入抖动噪声，影响病患和相关操作人员的感受以及操作体验，不利于临床应用。

东南大学电子科学与工程学院的陈朝良团队提出了一种基于互相关的图像配准算法（DCCTRR），并与传统的相位相关的傅里叶-梅林变换（FMT）方法进行了比较。

研究团队对FMT方法中分别使用幅度相关和相位相关来计算平移和旋转偏移量的性能表现进行了详细且量化的比较，发现基于幅度相关的平移旋转配准方法（DCCTRR）能够在保证配准精度的同时，显著降低OCT/OCTA图像配准所需的重叠率，不仅提高了大范围扫描效率，并且具有更好的抗噪能力。

图1 DCCTRR方法的工作流程图

通过模拟实验（使用丝织物模拟微血管），研究团队对比了DCCTRR与FMT方法在待配准图像旋转角度为（9.3769°）时的配准结果。DCCTRR方法在重叠率降低时，归一化配准精度下降较为缓慢，表现出更优异的性能。FMT方法至少需要61.86%的重叠率才能成功配准，而DCCTRR方法仅需12.58%的重叠率即可实现成功配准。

图2 DCCTRR和FMT方法在待配准图像之间存在相同旋转角度（9.3769°）时的配准结果比较。(a)归一化互相关系数图；(b)相位相关系数图；(c)归一化SNR、(d)归一化配准精度与重叠率的特性曲线图；(e)-(i)DCCTRR方法在五个具有代表性重叠率时的配准结果；(o)-(s)采用FMT方法配准的五个具有代表性重叠面积占比的配准结果；(j)-(n)、(t)-(x)分别是(e)-(i)、(o)-(s)对应的RGB图像

为了评估DCCTRR和FMT方法应对背景噪声的鲁棒性，研究团队通过在图像中添加高斯噪声来评估两种方法的抗噪性，结果显示DCCTRR方法对应的曲线下降趋势更为平缓，表明其具有更强的抗噪性和抗干扰能力。

图3 在图像中添加高斯噪声的DCCTRR和FMT方法的配准结果比较。（a）未添加高斯噪声配准图像；在添加高斯噪声的情况下，（b）DCCTRR方法和（c）FMT方法能够成功配准的高斯噪声最大STD时的配准结果；（a）-（c）对应的RGB图像分别在（d）-（f）中示出；（g）归一化SNR与添加的高斯噪声的STD之间的特性曲线图；（h）归一化配准精度与添加的高斯噪声的STD之间的特性曲线图

此外，为了评估DCCTRR和FMT方法在实际应用中的配准能力，研究人员进行了活体实验。在活体实验中，DCCTRR方法可成功配准的最小重叠率为12.09%，而FMT方法无法配准重叠率为30%的图像，这与模拟实验结果一致。考虑到实际应用中可能存在更大的旋转偏差，建议采用20%的重叠率。最后，通过多次扫描志愿者手指并使用DCCTRR方法进行配准，成功获得了大范围的OCTA图像。

图4 将3×3幅OCTA正面图像配准为大范围OCTA图像。（a）健康志愿者的左手（在实线标记的区域进行扫描）；（b）通过DCCTRR方法配准获得的大范围OCTA图像

团队深入研究了在FMT方法的工作流程中，运用幅度相关取代相位相关来计算并补偿平移和方向偏移的基于双互相关的平移和旋转配准（DCCTRR）方法的成效，并将其性能与FMT方法在 OCT/OCTA图像配准方面进行了对比。模拟实验和活体实验的结果明确显示，DCCTRR方法所需的图像重叠率比FMT方法更少，却能实现与FMT相当的配准精度，并且展现出更强的鲁棒性。

在未来的工作中，研究团队将持续优化图像配准算法，考虑将其与并行计算技术（如GPU、FPGA等）相结合，以改进互相关计算，从而大幅缩短计算时间，实现实时或近乎实时的处理速度。

同时，团队还将谋划结合OCT与机械手臂，并采用DCCTRR配准方法，实现对患者的大范围自动化扫描，以提升扫描效率和准确性。这些改进将有力推动DCCTRR方法在更广泛临床场景中的应用，为医生提供更为精准、便捷的诊断工具。

声明：本文仅用作学术目的。内容及图片来源于《中国激光杂志社》、《A comparison of cross-correlation-based and phase-correlation-based image registration algorithms for optical coherence tomographic angiography》；DOI:10.3788/COL202422.071101；如涉及版权问题，可联系工作人员删除处理。