基于奇异值比的周期性动态信号运动伪影抑制技术在D-FFOCT中的应用

《Optics and Lasers in Engineering》：Singular-value-ratio-based motion artifact suppression for periodic dynamic signals in D-FFOCT

动态全场光学相干断层扫描（D-FFOCT）存在运动伪影干扰问题，传统抑制方法难以处理准周期生物活动与不规则组织位移的叠加效应。本文提出基于奇异值比（SVR）的框架，通过构建像素级时间信号与可变窗口长度的轨迹矩阵，最大化识别主导准周期子空间，实现周期一致性驱动的信号分离，而非简单拒绝式抑制。实验证明该方法在活体斑马鱼心脏和眼部区域成像中，有效提升局部对比度10-30%和Tenengrad锐度4-12%，同时保留真实动态特征，提供硬件无关的物理可解释抑制方案。

　　

庞世卓|陈博宇|鲍世龙|王鹏辉|梁朝阳|张彤|周源|朱月

南京科技大学光学工程系，江苏210094，中国

摘要

动态全场光学相干断层扫描（D-FFOCT）能够实现无标记成像，以观察组织的动态变化，但其时间信号极易受到准周期生物活动与非周期组织位移叠加的影响，从而产生运动伪影。这种信号叠加对传统的基于方差或频率的抑制策略构成了挑战。本文提出了一种奇异值比（SVR）框架，将D-FFOCT中的运动伪影抑制问题重新定义为一种基于周期一致性的信号分离问题。通过将像素级时间信号嵌入到具有不同窗口长度的轨迹矩阵中，通过最大化奇异值比来识别主要的准周期子空间，从而实现基于周期的重建，而非简单地拒绝某些成分。在本文研究的条件下，对斑马鱼进行的体内实验表明，该方法在不同帧率和解剖区域均能够一致地提高局部对比度和Tenengrad清晰度，同时保留了组织的时间特性，证明了SVR作为一种物理上可解释且与硬件无关的信号处理框架，在斑马鱼D-FFOCT成像中有效抑制运动伪影。

引言

全场光学相干断层扫描（FF-OCT）已被验证为一种无标记、高分辨率的成像技术[1]。它已成功应用于小鼠胚胎的三维成像[2]、人肝组织的断层成像[3]以及体内角膜观察[4]等领域。通过结合干涉测量和宽场成像技术，FF-OCT能够并行获取组织的微观结构信息。

最近，动态全场光学相干断层扫描（D-FFOCT）能够捕捉生物组织背散射光的时间波动，从而提取动态强度信号并增强动态对比度[[5], [6], [7], [8], [9]]。然而，D-FFOCT中的动态干涉信号对轴向位移非常敏感。在实际成像过程中，生物组织的固有运动引起的微小轴向位移会干扰动态干涉信号，导致图像中出现运动伪影，影响真实组织信息的获取[10,11]。

运动伪影不仅在D-FFOCT中引入额外的噪声，而且从根本上源于同一时间采集窗口内准周期内在动态与非周期组织位移的叠加。这种共存情况违背了常用基于方差或频率的抑制策略的隐含假设，这些策略要么依赖于静态频率分离，要么依赖于全局能量排序，因此在非静态条件下难以保留生物意义上的动态信息。也就是说，诸如主成分分析（PCA）、傅里叶域滤波和时间平均之类的信号处理方法无法适应周期动态信号中的主导周期结构，导致伪影抑制不完全或真实动态信息失真[10]。

在本文中，我们提出了一种基于奇异值比（SVR）的框架，将D-FFOCT中的运动伪影抑制问题重新定义为基于周期一致性的信号分离问题。通过将像素级时间信号嵌入到具有不同窗口长度的轨迹矩阵中，通过最大化奇异值比来识别主要的准周期子空间，从而实现基于周期的重建。与PCA或基于傅里叶的方法不同，所提出的方法明确利用了有限观察窗口内周期动态的相干性，为D-FFOCT动态成像中的运动伪影抑制提供了一种物理上可解释且与硬件无关的策略。

通过在不同帧率和解剖区域对斑马鱼进行的体内实验验证了SVR框架的有效性和实际操作范围。使用局部对比度和Tenengrad清晰度进行的定量评估表明，该方法在保持组织时间特性的同时，能够一致地提高动态图像质量，从而证明了SVR在真实体内运动条件下抑制斑马鱼D-FFOCT成像中运动伪影的有效性。

章节片段

原理

本节介绍了D-FFOCT的成像机制以及SVR运动伪影抑制方法的理论基础。

方法

本节描述了自定义的D-FFOCT系统、样品制备和采集协议、基于SVR的伪影抑制方法，以及通过局部对比度和Tenengrad指标进行的定量图像评估。

结果

图7(a)显示了心脏区域的原始干涉信号。图7(b)中放大的黄色框显示了以340 Hz帧率捕获的动态图像。高活性区域显示出更高的亮度，并呈现出连续的纹理特征，表明捕获到了心肌层的丰富动态信息。这种动态信号是由心跳过程中心肌层的周期性收缩和放松产生的[18]。

图8(a)和8(b)显示了

增强动态信号的信号级解释

SVR处理后动态图像质量的提升不仅仅取决于采集帧率或信号能量，而根本上取决于有限时间窗口内组织动态的周期一致性。对于心脏和眼眶等高活性解剖区域，其内在动态表现出强烈的准周期行为和相对稳定的时间相干性。在这种情况下，即使采样率为150 Hz

结论

本文提出了一种基于奇异值比（SVR）的运动伪影抑制方法，用于D-FFOCT。通过利用准周期动态信号与非周期运动伪影之间的显著奇异值分布，该方法能够在无需显式运动建模的情况下识别主导周期并实现稳健的动态信号重建。体内斑马鱼实验表明，SVR可将局部对比度提高约10%至30%，Tenengrad清晰度提高4%至12%

资助

本研究得到了国家自然科学基金（62005123）、江苏省自然科学基金（BK20190455）、中国 Scholarship Council（202106845011）、日本学术振兴会（23KF0186）以及中华人民共和国科学技术部（T240406047）的支持。

伦理声明

所有涉及斑马鱼的实验均遵循相关机构和国家的指导方针，并获得了无锡第三人民医院伦理委员会的批准。

CRediT作者贡献声明

庞世卓：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、数据可视化、验证、软件开发、项目管理、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。陈博宇：监督。鲍世龙：实验研究。王鹏辉：软件开发。梁朝阳：实验研究。张彤：数据可视化。周源：资源协调、撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目资助、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢陈博宇在OCT系统的构建和调试方面提供的宝贵支持；鲍世龙在斑马鱼成像实验中的帮助；王鹏辉和梁朝阳在设置动态采集参数方面的协助；张彤在动态成像理论研究中的贡献；以及周源在生物样本处理和准备方面的支持。他们的专业知识和无私奉献