Использование топологических скелетов для коррекции артефактов объемного движения в оптической когерентной томографии и эластографии

В работе представлен оригинальный подход к стабилизации изображений при оптической когерентной томографии и эластографии. Ключевыми отличительными особенностями предложенного подхода являются: I) бинаризация и использование операций математической морфологии; II) параллельное построение топологического скелета для каждого оптического изображения с акцентом на эквивалентный сигнал высокого и низкого уровней; III) комплексирование топологических скелетов; IV) сравнение последовательности оптических изображений по объединенным топологическим скелетам с использованием точек «квенча»; V) компенсация артефактов объемного движения посредством «пересборки» исходных совокупностей интерференционных сигналов. Вычислительная эффективность предложенного метода относительно динамики сбора интерференционных сигналов конкретным прибором была достигнута посредством использования последовательно и параллельно выполняемых операций. При этом комбинировались вычисления на центральном и графических процессорах, то есть GPU и CPU. Высокая эффективность коррекции артефактов объемного движения в оптической когерентной томографии и эластографии обеспечена за счет робастности топологических скелетов, построенных с акцентом на эквивалентный сигнал высокого уровня к спекл-шумам, соответствующим конструктивному характеру интерференции (яркие спеклы), и соответственно робастности топологических скелетов для эквивалентного сигнала низкого уровня к темным спеклам (деструктивный характер интерференции).

1. Moiseev A.A., Ksenofontov S.Yu., Terpelov D.A., Kiseleva E.B., Yashin K.S., Sirotkina M.A., Gladkova N.D., Gelikonov G.V. Optical Coherence Angiography without Motion Correction Preprocessing. Laser Physics Letters. 2019;16(4). https://doi.org/10.1088/1612-202X/aaf996

2. Liu X., Hubbi B., Zhou X. Spatial Coordinate Corrected Motion Tracking for Optical Coherence Elastography. Biomedical Optics Express. 2019;10(12):6160–6171. https://doi.org/10.1364/BOE.10.006160

3. Фролов С.В., Потлов А.Ю. Система эндоскопической оптической когерентной томографии с повышенной точностью позиционирования катетера. Медицинская техника. 2019;(1):5–8.

4. Krajancich B., Curatolo A., Fang Q., Zilkens R., Dessauvagie B.F., Saunders C.M., Kennedy B.F. Handheld Optical Palpation of Turbid Tissue with Motion-Artifact Correction. Biomedical Optics Express. 2019;10(1):226–241. https://doi.org/10.1364/BOE.10.000226

5. Hepburn M.S., Foo K.Y., Wijesinghe P., Munro P.R.T., Chin L., Kennedy B.F. Speckle-Dependent Accuracy in Phase-Sensitive Optical Coherence Tomography. Optics Express. 2021;29(11):16950–16968. https://doi.org/10.1364/OE.417954

6. Parmar A., Singh K. Motion-Artifact-Free Single Shot Two-Beam Optical Coherence Elastography System. Journal of Biomedical Optics. 2024;29(2). https://doi.org/10.1117/1.jbo.29.2.025003

7. Gong Z., Johnstone M.A., Wang R.K. iStent Insertion Orientation and Impact on Trabecular Meshwork Motion Resolved by Optical Coherence Tomography Imaging. Journal of Biomedical Optics. 2024;29(7). https://doi.org/10.1117/1.JBO.29.7.076008

8. Wagner J., Robledo L., Pezold S., Eggenschwiler L., Hasler P., Goldblum D., Cattin P.C. Model-Based Motion Compensation for Corneal Topography by Optical Coherence Tomography. OSA Continuum. 2020;3(7):1967–1987. https://doi.org/10.1364/OSAC.389898

9. Ploner S.B., Kraus M.F., Moult E.M., Husvogt L., Schottenhamml J., Alibhai A.Y., Waheed N.K., Duker J.S., Fujimoto J.G., Maier A.K. Efficient and High Accuracy 3-D OCT Angiography Motion Correction in Pathology. Biomedical Optics Express. 2021;12(1):125–146. https://doi.org/10.1364/BOE.411117

10. Potlov A., Frolov S., Proskurin S. Features of Diffuse Photon Migration in Soft Biological Tissue. In: Journal of Physics: Conference Series: Volume 1084: 4th International Scientific and Practical Conference on Virtual Simulation, Prototyping and Industrial Design 2017, VSPID 2017, 15–17 November 2017, Tambov, Russia. Institute of Physics Publishing; 2018. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1084/1/012012

11. 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;49(50). https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/50/501001

12. Sirotkina M.A., Gubarkova E.V., Plekhanov A.A., Sovetsky A.A., Elagin V.V., Matveyev A.L., Matveev L.A., Kuznetsov S.S., Zagaynova E.V., Gladkova N.D., Zaitsev V.Y. In vivo Assessment of Functional and Morphological Alterations in Tumors under Treatment using OCT-Angiography Combined with OCT-Elastography. Biomedical Optics Express. 2020;11(3):1365–1382. https://doi.org/10.1364/BOE.386419

13. Frolov S.V., Sindeev S.V., Liepsch D., Balasso A., Arnold P., Kirschke J.S., Prothmann S., Potlov A.Yu. Newtonian and non-Newtonian blood flow at a 90º bifurcation of the cerebral artery: a comparative study of fluid viscosity models. Journal of Mechanics in Medicine and Biology. 2018;18(5). https://doi.org/10.1142/S0219519418500434

14. Потлов А.Ю. Фрактальный подход к численному моделированию фотонного транспорта в биологических тканях на основе метода статистических испытаний Монте-Карло. Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2024;12(3). https://doi.org/10.26102/2310-6018/2024.46.3.022