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3.3.2冠状动脉性心脏病病因15

3.3.3冠状动脉性心脏病的检测技术15

3.4本章小结16

第四章OCT在冠状动脉的应用研究分析17

4.1光学相干断层扫描在冠脉临界病变的应用17

4.1.1实验背景17

4.1.2实验目的17

4.1.3实验材料与方法17

4.1.4结果18

4.1.5讨论19

4.2光学相干层析成像在大鼠早期急性心肌缺血中的研究19

4.2.1实验目的19

4.2.2实验材料与方法20

4.2.3结果21

4.2.4讨论24

4.3光学相干断层成像在临床中的应用分析24

4.3.1光学相干断层成像在冠状动脉上的应用优势24

第五章OCT图像去噪26

5.1OCT系统噪声分析26

5.1.1扫描噪声26

5.1.2探测器噪声26

5.1.3电路噪声27

5.1.4散斑噪声27

5.2OCT图像的去噪方法27

5.2.1小波去噪方法27

5.2.2小波去噪原理28

5.2.3程序代码28

5.2.4实验结果及分析29

5.3本章小结29

第六章结束语30

6.1总结30

6.2工作展望31

参考文献32

致谢33

翻译34

摘要

光学相干断层成像（OCT）是一种将光学相干技术与激光扫描共焦技术相结合起来的新的医学成像技术，它利用近红外光源（波长1310nm）通过光纤维传输信号来产生冠状动脉图像.其最大优势在于它的高分辨率（径向分辨率：

10一15um，侧向分辨率：

20～25um），是目前血管内超声技术分辨率的10倍。

光学相干断层成像可以精确显示粥样硬化斑块的微结构特性，识别易损斑块、稳定斑块、血栓、钙化、夹层，能通过钙化层对钙化后的组织清晰显像，能观察支架及支架表面的内膜增生和支架内再狭窄。

因此，OCT成像技术重要的应用价值。

针对光学相干断层成像在冠状动脉的实际应用分析，本文结合图像处理技术，弥补了光学相干断层成像时的噪声问题，去除了图像的噪声，对实际应用中有很大帮助。

论文首先描述了光学相干断层成像研究的背景，分析了现状和发展趋势，并阐述了研究的目的和意义。

然后，介绍了光学相干断层成像技术以及冠状动脉相关知识，并列举了现今的一些研究实验。

最后，提出了利用小波去噪方法，去除OCT成像中图像的噪声问题。

关键词:

光学相干断层成像技术；

冠状动脉；

应用研究;

去噪

Abstract

Opticalcoherencetomographyimaging（OCT）isakindofnewmedicalimagingtechnologywhichcombinesopticalcoherencetechnologyandlaserscanningconfocaltechnology,usingnear-infraredlight（131nm）throughlightwavelengthsfibertransmissionsignaltogeneratethecoronaryarteryimages.Itsbiggestadvantageishavinghighresolution（radialresolution:

10~15um,lateralresolution:

20~25um）,whcihis10timesthanintravascularultrasoundtechnologyresolution.Opticalcoherencetomographyimagingcanaccuratelydisplaythemicrostructurecharacteristicsofatheroscleroticplaque,identifyingvulnerableplaques,stableplaques,thrombosis,calcification,interlining,canpenetratethecalcifiedlayertoclearimagingcalcificationtissue,canobservetheorganizationonthesurfaceoftheframeandstentsintimalproliferationandstentrestenosis.Therefore,OCTimagingtechnologyhastheimportantapplicationvalue.

AimingatanalysistheactualapplicationofcoronaryarteriesOCTimaging,thispapercombingimageprocessingtechnology,makesupforthenoiseinOCTimaging,andremovestheimagenoise,whichbringsgreathelpinapplicationofOCTimaging.Thispaperfirstlydescribesthebackgroundofopticalcoherencetomographyimagingstudy,analyzesthestatusanddevelopmenttrend,andexpoundsthepurposeandsignificanceofthestudy.Then,thispaperintroducesthecoronaryarteryOCTtechnologyandrelativeknowledges,andlistssomecurrentresearchs.Finally,thispaperproposestousewaveletde-noisingmethods,removeingtheimagenoiseproblemsinOCTimaging.

KeyWords:

Opticalcoherencetomography;

coronaryartery；

applicationresearch；

denoises

第一章绪论

1.1研究背景及现状

随着生活节奏的加快，人们越来越重视自己的健康，这对医学的一些检测技术越来越受到重视，其中OCT成像技术即是其中一种，它在冠状动脉的检测中正逐渐变广泛应用。

1.1.1研究背景

光学相干断层成像（opticalcoherencetomograph,OCT）是一种新的高分辨率断面成像模式，它将新发展的光学技术与超灵敏探测合为一体，加上现代计算机图像处理，发展成为一门新兴的断层成像诊断技术。

易损斑块是指所有易于发生血栓的斑块和十分可能迅速进展成为罪犯斑块的种种斑块。

但现有的筛查和诊断的方法不足以在急性心血管病事件发生之前将易损斑块识别出来。

此外，动脉粥样斑块从稳定变为易损的过程涉及炎症、免疫、代谢、凝血等多个环节，单纯显示动脉管腔或斑块形态的诊断技术已不能满足临床的需要。

因此OCT技术在识别动脉粥样斑块成分、鉴别易损斑块和指导介入治疗过程等方面的作用备受关注并得到广泛的研究。

1.1.2OCT技术发展现状

OCT技术的核心是迈克尔逊干涉仪，OCT技术其实最早来源于白光干涉测量法。

它本不是一开始就是用来探测眼睛和其它生物组织，其实它原来主要用来检测光缆的瑕疵。

自从Ferche等人用部分相干光通过干涉法测量了眼球的长度，并得到眼部的法布里一泊罗（Fabry一Perot）干涉条纹之后，低相干干涉在生物医学上的应用诞生了。

1991年，美国麻省理工大学的D.Huang和J.G.Fujimoto等人采用OCT技术成功地对人眼视网膜的显微结构和冠状动脉壁成像。

1993年，演示了人类视网膜的活体光学相干层析成像。

1995年，开始眼科的临床研究。

至此以后的十多年里，OCT技术不论是其分辨率还是在性能上都得到了突飞猛进的发展，同时通过OCT技术与各种仪器相结合使得其拓展出多种成像模式，如多普勒、偏振敏感、光谱OCT等。

1.2研究的目的及意义

随着科学的发展，在医学和生物学中，先后出现了各种各样的成像仪器，本课题旨在研究对于哪种成像技术适合于在冠状动脉的病变应用的研究中。

现有的成像技术有:

超声波成像、X光成像、CT、MRT和PET，光学相干成像等成像技术，但是这些各有各的不足之处。

超声波成像依赖于生物组织的声阻抗，对比度差，难以发现早期的癌变;

X光成像依赖于生物组织的密度，密度越大，图像就越白，但是对于密度接近的不同器官和组织的图像则因对比度不高而无法分辨，而且X射线透视使组织遭受强离子辐射的作用，入射的高能量会使生物组织离化。

光学相干成像的优点在于:

利用对人体无损伤的红外做为光源（一般是600一130Onm），非接触，利用相干原理实现层析，具有很高的分辨率（微米级），采用光纤和图象重建，可以实现快速成像和实时检测。

由上面可以看出光学相干断层成像技术是最相对比较理想的成像，但它也有不足之处。

例如:

不能对高散射介质的更深组织成像，当探测深度超过若干毫米时，入射光散射的随机性使形成的图像变得模糊。

此外还会有噪声等等。

所以研究光学相干断层成像的工作原理，对我们把它实现在冠状动脉的应用研究有很大的意义。

1.3本论文的主要工作

本论文根据光学相干断层成像技术发展，对其在冠状动脉中的应用问题进行相关研究。

本论文笔者的任务如下：

研究光学相干断层成像技术的原理及其成像系统的构成。

只有清楚地了解OCT成像的基本原理与具体的系统结构，才能很好的理解图像的物理意义以及成像中存在的问题，并对系统进行改进，以及使其在生物和医学中得到更充分的应用。

了解冠状动脉的相关知识，因为我是电子信息科学与技术专业，对医学方面可以说是一片空白，所以这一块的研究非常有必要。

分析下当前在冠状动脉的应用研究有哪些，之后解决光学相干断层成像技术的去噪问题。

1.4论文总体结构

全文共分为五章，各章内容安排如下：

第一章绪论。

介绍研究的背景，并对光学相干断层技术技术的现状及发展情况作简要的说明，提出研究的目的和意义，进一步明确研究目标以及所要完成的工作。

第二章光学相干断层成像及其原理分析。

介绍光学相干断层成像技术的相关知识，和工作原理，只有对其了解清楚了，我们才能更好的去研究光学相干断层成像技术在冠状动脉的应用研究问题。

第三章冠状动脉。

介绍冠状动脉的相关知识，以便更好的理解。

第四章OCT在冠状动脉的应用研究分析。

列举并分析一下当前的一些光学相干成像技术在冠状动脉应用研究的实验，作为借鉴。

此外还涉及了OCT成像技术相对其他成像技术而言在医学应用中的优势。

第五章OCT去噪。

介绍光学相干断层成像技术的不足，本文主要探讨其图像噪声问题，并提出相关解决方案。

第六章结束语。

对所完成的任务进行总结，并展望今后的研究。

第二章光学相干断层成像技术及其原理分析

OCT的成像原理是设计系统和理解其图像的基础，只有清楚地了解OCT成像的基本原理与具体的系统结构，才能很好的理解图像的物理意义以及成像中存在的问题，并对系统进行改进，以及使其在生物和医学中得到更充分的应用。

2.1光学相干断层成像技术（OCT）

常说的OCT即光学相干断层成像技术，它利用近红外弱光相干光，照射待测组织，根据光的相干性产生干涉，用于组织表层成像。

它具有无辐射，非入侵，高分辨率，高探测灵敏度等特点

2.1.1光学相干断层成像特点

1，分辨率高

2，无损伤探测

3，具有一定探测深度

4，实时成像

2.1.2为何采用低相干光源

对于OCT成像系统而言，相干长度，也就是成像系统的纵向分辨率，因此为了提高纵向分辨率必须选用低相干性的光源。

所以一般使用高斯光源，因为高斯线型光源没有矩形线型光源的旁瓣效应，对提高成像质量很有益。

2.1.3数字信号处理部分

这个部分将光学干涉信号转换成电流信号，进行处理得到光学干涉信号的包络。

再进行模数转换，存储到计算机里面。

下面为电信号处理示意图如图2.1：

1，首先通过带通滤波器滤掉干涉信号中的直流成分，及相关低频噪声。

2，为了获得包络信号，将带通信号与一本振信号相乘，或者自身平方。

3，然后再通过低通滤波器，就可以获得包络信号。

图2.1

2.2光学相干断层成像工作原理

光学相干断层成像是由低相干光源，光纤迈克尔逊干涉仪和光电探测系统组成。

下面是它的原理框图如图2.2：

图2.2

OCT技术装置的核心是一个迈克尔逊干涉仪。

干涉仪的一臂是作精密扫描的参考反射镜，用以产生参考光。

干涉仪的另一臂放置待检测组织样品。

1，光源发出的光经过2X2的光纤耦合器后，被均匀的分为两束，分别进入放有反射镜的参考臂和放有被测样品的样品臂。

2，照在样品上的光进入样品组织内部，经过样品的反射回来的光与反射镜反射回来的参考光，经光纤耦合器，汇合到探测器中。

框图如图2.3：

图2.3

只有当反射镜发射回的参考光，和生物样品的反射的信号光的光程差匹配时才能产生干涉。

而与参考臂相差一个相干长度的信号光，就不能与参考光发生干涉。

由样品发射回来光的强弱与样品的组织密切相关，光信号包含有组织的散射系数，和吸收系数等信息。

所以：

信号的强度，反应了样品的反射强度。

2.3本章小结

本章主要介绍光学相干断层成像技术的定义，重点介绍了其原理。

本章还介绍了使用的光源为何是低相干光源，以及OCT成像的特点等。

第3章冠状动脉

由于对医学方面的空白，所以很有必要介绍一下冠状动脉的相关知识。

只有对冠状动脉的相关知识有了很好的了解，我们才能更好的对OCT在冠状动脉的应用研究。

3.1冠状动脉介绍

心的形状如一倒置的、前后略扁的圆锥体，如将其视为头部，则位于头顶部、几乎环绕心脏一周的冠状动脉恰似一顶王冠，这就是其名称由来。

左右冠状动脉是升主动脉的第一对分支。

左冠状动脉为一短干，发自左主动脉窦，经肺动脉起始部和左心耳之间，沿冠状沟向左前方行3～5mm后，立即分为前室间支和旋支。

前室间支沿前室间沟下行，绕过心尖切迹至心的膈面与右冠状动脉的后室间支相吻合。

沿途发出：

冠状动脉图如图3.1　

图3.1冠状动脉图

（1）动脉圆锥支，分布至动脉圆锥；

（2）外侧支，分布于左室前壁大部及前室间沟附近的右室前壁；

　　（3）室间隔支，分布于室间隔前2/3。

旋支沿冠状沟左行，绕过心钝缘时发出粗大的左缘支分布于左室外侧缘；

至心后面时发出较小的分支分布至左房与左室。

右冠状动脉起自右主动脉窦，经肺动脉根部及右心耳之间，沿右冠状沟行走，绕过心右缘，继续在膈面的冠状沟内行走，在房室交点附近发出后降支，即后室间支。

　　右冠状动脉沿途发出：

（1）动脉圆锥支，分布于动脉圆锥，与左冠状动脉的同名支吻合。

（2）右缘支，此支较粗大，沿心下缘左行趋向心尖；

　　（3）窦房结支，在起点附近由主干分出（占60.9%，其余39.1%起自左冠状动脉）；

　　（4）房室结支，起自右冠状动脉，行向深面至房室结。

　　（5）后室间支，为右冠状动脉的终支，与左冠状动脉的前室间支相吻合，沿途分支至左、右心室后壁、及分室间隔支至室间隔后1/3。

3.2冠状动脉粥样硬化

动脉粥样硬化（Atherosclerosis）是动脉硬化中最常见而重要的类型，其特点是受累动脉的内膜有类脂质的沉着，复合糖类的积聚，继而纤维组织增生和钙沉着，并有动脉中层的病变。

本病主要累及大型及中型的肌弹力型动脉，以主动脉、冠状动脉及脑动脉为多见，常导致管腔闭塞或管壁破裂出血等严重后果。

发生在冠状动脉上的动脉粥样硬化称为冠状动脉粥样硬化（CoronaryAtherosclerotic）。

它是最常见的狭窄性冠状动脉疾病，特别是肌壁外冠状动脉支的动脉粥样硬化。

冠状动脉近侧段之所以好发动脉粥样硬化是由于它比所有器官动脉都靠近心室，因而承受最大的收缩压撞击。

再者，冠状动脉血管树由于心脏的形状而有多数方向改变，因此亦承受较大的血流剪应力。

　　好发部位：

据我国的尸检统计资料，病变的总检出率、狭窄检出率和平均级别均以前降支最高，其余依次为右主干、左主干或左旋支、后降支。

性别差异：

20～50岁病变检出率，男性显著高于女性；

60岁以后男女无明显差异。

3.2.1冠状动脉粥样硬化病变特点

　　病变特点：

粥样硬化斑块的分布多在近侧段，且在分支口处较重；

早期，斑块分散，呈节段性分布，随着疾病的进展，相邻的斑块可互相融合。

在横切面上斑块多呈新月形，管腔呈不同程度的狭窄。

有时可并发血栓形成，使管腔完全阻塞。

根据斑块引起管腔狭窄的程度可将其分为4级：

Ⅰ级，管腔狭窄在25％以下；

Ⅱ级，狭窄在26％～50％；

Ⅲ级，狭窄51％～75％；

Ⅳ级，管腔狭窄在76％以上。

　　冠状动脉粥样硬化常伴发冠状动脉痉挛，痉挛可使原有的管腔狭窄程度加剧，甚至导致供血的中断，引起心肌缺血及相应的心脏病变（如心绞痛、心肌梗死等），并可成为心源性猝死的原因。

3.2.2冠状动脉粥样硬化的形成及问题

动脉粥样硬化是导致一系列心、脑血管病的基础，以下我们就来简单的讲述一下动脉粥样硬化形成的机理。

氧化的低密度脂蛋白（Ox-LDL）是动脉粥样硬化的核心，当血液中的低密度脂蛋白（LDL）被活性氧（ROS）等自由基氧化后叫着“氧化的低密度脂蛋白”简称“Ox-LDL”，它就会进入血管壁，1.Ox-LDL损坏血管壁的内皮细胞，并且让内皮细胞间隙变大；

2.Ox-LDL刺激单核细胞游走进入血管壁；

3.OX-LDL被巨噬细胞以及血管的平滑肌细胞的受体所吞噬，----形成泡沫细胞，4.Ox-LDL使上述两种泡沫细胞坏死崩解，形成糜粥样坏死物，粥样硬化斑块形成。

这里要特别强调的是氧化的低密度脂蛋白（Ox-LDL）在整个动脉粥样硬化形成过程中起了核心作用，而不是我们老百姓一般认为的“低密度脂蛋白”或者“血脂”或者“胆固醇”概念，如果LDL不被氧化为Ox-LDL，机体的单核细胞认为LDL是“自己人”，不会对它（LDL）进行吞噬并形成泡沫细胞，只有当它（LDL）被氧化成Ox-LDL后，才被机体的单核细胞等炎症介质认为是【异己】成分，并对之进行吞噬，消灭，最终形成泡沫细胞。

因此防止LDL氧化为Ox-LDL是遏制动脉粥样硬化的关键所在，而不是我们常规理解的降低胆固醇、降低血脂、降低低密度脂蛋白（LDL）等。

（1）动脉粥样硬化后的血管，血栓是如何形成的？

　　动脉粥样硬化后的血管，血栓的形成是一个比较复杂的炎症过程。

　　随着上述动脉粥样硬化斑块的生长，常常是导致上述泡沫细胞死亡，形成坏死性核心，它能与持续存在的炎症反应，使上述粥样硬化斑块变得很不稳定，活化的巨噬细胞分泌一种酶降解胶原纤维帽，不稳定斑块形成，这样就很容易破裂。

破裂后的斑块大量高度致凝血的物质释放入血管腔，导致局部血栓形成。

当这种血栓形成在脑部的血管，则叫脑血栓（脑梗塞、脑梗死），当脑血管处在一个薄弱的部位而且伴有高血压之类，或者斑块向血管外破裂就形成了脑出血，这两类情况中医叫中风、西医叫卒中；

当这种血栓形成在心脏的冠状动脉，就叫心肌梗死（心肌梗塞）；

当这种血栓形成发生在眼底动脉，则就是黄斑变性。

当这种血栓的形成出现在下肢动脉的时候，就导致像糖尿病的病足之类的改变。

（2）为什么只有脑和心肌的梗死多见？

因为脑和心肌冠状动脉不易形成侧枝循环，恰恰是那些经常出现心肌缺血，心绞痛的病人反倒不太容易导致急性心肌梗死，因为这些病人在心肌缺血的过程中，不断代偿，形成侧枝循环，所以，即使一条血管堵塞了，也不会导致心肌梗死。

3.3冠状动脉性心脏病

冠状动脉性心脏病（coronaryarteryheartdisease,CHD）简称冠心病，是一种最常见的心脏病，是指因冠状动脉狭窄、供血不足而引起的心肌机能障碍和（或）器质性病变，故又称缺血性心脏病（IHD）。

症状表现胸腔中央发生一种压榨性的疼痛，并可迁延至颈、颔、手臂、后背及胃部。

发作的其他可能症状有眩晕、气促、出汗、寒颤、恶心及昏厥。

严重患者可能因为心力衰竭而死亡。

（心脏器官显示图如图3.2）

图3.2

（1）无症状性心肌缺血型：

又叫无痛性心肌缺血或隐匿性心肌缺血，指确有心肌缺血的客观证据（心电活动、左室功能、心肌血流灌注及心肌代谢等异常），但缺乏胸痛或与心肌缺血相关的主观症状。

（2）心绞痛型：

是指由冠状动脉供血不足，心肌急剧、暂时缺血与缺氧所引起的以发作性胸痛或胸部不适为主要表现的一组临床综合症。

（3）心肌梗塞（死）型：

是指冠状动脉出现粥样硬化斑块或在此基础上血栓形成，导致冠状动脉的血流急剧减少或中断，使相应的心肌出现严重而持久地急性缺血，最终导致心肌的缺血性坏死，属冠心病的严重类型。

（4）缺血性心肌病型：

是指由于长期心肌缺血导致心肌局限性或弥漫性纤维化，从而产生心脏收缩和（或）舒张功能受损，引起心脏扩大或僵硬、充血性心力衰竭、心律失常等一系列临床表现的临床综合症。

（5）猝死型：

目前认为，该病患者心脏骤停的发生是在冠状动脉粥样硬化的基础上，发生冠状动脉痉挛或微循环栓塞导致心肌急性缺血，造成局部电生理紊乱，引起暂时的严重心律失常（特别是心室颤动）所致。

3.3.2冠状动脉性心脏病病因

供应心脏本身的冠状动脉管壁形成粥样斑块造成血管腔狭窄所致心脏病变。

由于冠状动脉狭窄的支数和程度的不同，其冠心病临床症状也有不同。

（如图3.3）

图3.3

3.3.3冠状动脉性心脏病的检测技术

（1）心电图：

心电图是冠心病诊断中最早、最常用和最基本的诊断方法。

与其它诊断方法相比，心电图使用方便，易于普及，当患者病情变化时便可及时捕捉其变化情况，并能连续动态观察和进行各种负荷试验，以提高其诊断敏感性。

无论是心绞痛或心肌梗塞，都有其典型的心电图变化，特别是对心律失常的诊断更有其临床价值，当然也存在着一定的局限性。

（2）心电图负荷试验：

主要包括运动负荷试验和药物试验（如潘生丁、异丙肾试验等）。

心电图是临床观察心肌缺血最常用的简易方法。

当心绞痛发作时，心电图可以记录到心肌缺