光学相干断层成像及软件新技术在眼科和肿瘤诊疗领域的研究.pdf

摘要

光学相干断层扫描（OCT）是一种无创、高分辨率、实时成像技术，在眼科领

域和高分辨率组织成像领域，OCT为疾病的诊断和监测，以及异常组织的检测提

供了全新的视角。针对上述问题，本论文结合开发的新软件技术，主要针对两部分

OCT应用进行研究，一是结合人工智能技术完成对眼科OCT图像的自动分析，为

眼科疾病的诊断和治疗提供重要依据；二是结合机器人技术，完成OCT引导下的

辅助穿刺手术，为肿瘤活检采样提供准确指导。本文的具体研究内容如下：

（1）基于深度学习的面向致盲性眼病诊断的视网膜血管自动分析算法研究

视网膜血管是人体中唯一能以非侵入性方式观察到的血管系统，其表型与多

种眼部、脑部和心血管疾病相关。OCT和OCT血管造影术（OCTA）为观察视网

膜的三维结构和血流信息提供了一种强大的成像方法。然而传统基于OCT/OCTA

图像分析方法仍具有挑战性。图像的手动标注对标注者的经验要求较高，并且不同

标注者间存在差异。因此，实现一种高效并准确的OCT/OCTA自动分析方法对于

眼科临床诊疗具有重要意义。

本文基于深度学习方法，提出了一种针对致盲性眼病的视网膜血管三维分析

算法，首先设计了针对OCT/OCTA图像的基于多任务的视网膜血管三维分割和疾

病检测模型。其次，在多种致盲性眼病中，基于视网膜血管三维结果对视网膜血管

的进行了三维重建分析，并进一步探究了视网膜血管的层间连接，同时进行了血管

三维参数测量，弥补了多种商业系统中只能提供血流二维分析报告的缺陷。

本研究从国外四种商业设备的OCT系统中收集来自109名患者的230组

OCT和OCTA原始数据，共包括138,000张B-Scan横截面图像，用于模型训练，

验证和测试。实验结果表明，该模型在血管三维分割任务中的DICE系数(Dice

similaritycoefficient)为95.59±2.65，在疾病分类任务中的准确率为91.49%。本实

验从定量和定性的角度在多种致盲性眼病上验证了三维分析的优越性，证明了本

研究中提出的三维分析方法在多种致盲性眼病的辅助诊断方面具有应用潜力。

（2）研发用于癌症诊断的辅助活检和穿刺手术机器人系统

OCT能够有效区分肿瘤组织与正常组织，在OCT指导下进行肿瘤的穿刺活检

能够显著提高活检成功率。然而穿刺手术对操作者的精准度和稳定性都提出了较

高要求，穿刺手术机器人的实现克服了传统手动穿刺手术操作复杂，稳定性不佳的

缺点，在提高手术效率的同时，对手术的精度和稳定性也带来了提升，为活检操作

提供了准确引导。

在本实验中，设计了OCT引导下的穿刺手术机器人系统，基于OCT图像中

对肿瘤区域的准确识别和三维重建，在激光雷达导航系统的引导下，实现肿瘤病灶

的准确定位，并基于规划良好的穿刺路径，实施精准的穿刺过程。并在体膜穿刺实

验验证中达到轴向误差1.61±0.39mm，横向误差2.03±0.68mm。

关键词：医学图像处理，光学相干断层成像技术，手术机器人，视网膜血管

ABSTRACT

Opticalcoherencetomography(OCT)isanon-invasive,high-resolution,real-time

imagingtechniquethathasbeensuccessfullyappliedinthefieldofophthalmologyand

high-resolutiontissueimaging,OCToffersanewperspectiveforthediagnosisand

monitoringofdiseasesandthedetectionofabnormaltissues.Tothisend,thisthesis

developednewsoftwaretechnologiestargetingtwomedicalimagingapplications,oneis

tocombineartificial