一種基於近紅外光譜血氧濃度測量的腫瘤成像系統及其實驗檢測方法與流程
2023-06-14 01:00:11 1
本發明涉及醫療器械領域，具體涉及一種基於近紅外光譜血氧濃度測量的腫瘤成像系統及其實驗檢測方法。
背景技術：
傳統的腫瘤探測手段，例如X射線成像、核磁共振成像等，已經具備了很高的成像解析度，但儀器設備笨重，造價昂貴，診斷成本較高，使得這些方法難以成為腫瘤普查的有效手段，且B超、X射線等檢測技術更是對人體有很多未可知的損害，亦不能作為日常的檢測方法，由於現有檢測設備在安全、成本、規模等方面的限制，無法做到腫瘤的預防性篩查，而基於近紅外光譜的腫瘤檢測與成像技術具有無輻射、造價低、可便攜、易操作等優點，已成為腫瘤日常性檢測的有效手段。
基於近紅外光譜檢測技術相對於其他方法在無損和產品小型化方面的優勢，發明人開發了一個基於近紅外陣列探頭的人體腫瘤探測系統，該系統可以作為一個惡性腫瘤自查和初步檢測的家庭普及型設備，可在不具備專業知識的前提下，以較少的經濟投入，實現人體腫瘤的日常檢測，因此，本發明具有較大的社會意義和實用價值。
技術實現要素：
本發明的目的是針對上述現有技術存在的問題，設計提供一種基於近紅外光譜血氧濃度測量的腫瘤成像系統及其實驗檢測方法，本發明使用容易方便、成本低廉，近紅外光無任何輻射，對人體不會造成任何損害。
本發明的技術方案是：
一種基於近紅外光譜血氧濃度測量的腫瘤成像系統，包括主控制部分、探頭部分，所述的主控制部分包括控制核心STM32F103，其分別連接光信號產生模塊、數據存儲和通信接口模塊、信號調理和模數轉換模塊，其中數據存儲和通信接口模塊包括SD卡，與上位機通信的USB及串口；信號調理和模數轉換模塊包括數據的放大濾波部分以及模數轉換部分，負責信號的採集和預處理；所述的探頭部分包括光信號產生模塊、光信號接收模塊，其中光信號產生模塊包括由多波長近紅外光源及其驅動電路構成的LED光源，光信號接收模塊包括由光信號接收器OPT101及其驅動模塊構成的光電檢測器。
進一步的，所述的探頭部分包括尺寸為9×9cm的傳感探頭，傳感探頭包括13個LED光源及28個光電檢測器，相鄰的LED光源和光電檢測器中心距離設定為20mm，在半無窮傳輸介質為探測背景，利用垂直入射光源和界面上點探測器間光子光學路徑分布的解析函數，可推知光源距離探測器為l時，在入射光與探測器組成的平面內光子路徑呈弧狀分布，在兩者的中點處達到路徑深度的最大值d≈21/2l/4。
一種基於近紅外光譜血氧濃度測量的腫瘤成像系統的實驗檢測方法，實驗的流程為：
Ⅰ、建立實驗模型，使用20％的醫用脂肪乳液、瓊脂以及印度墨水按照固定的比例，調配製作出對近紅外光的散射率和吸收率與正常人體組織相近的兩個相同的9cm×9cm×4cm固態仿體，並分為四層，每層深度為1cm、2cm、3cm、3.5cm，在其中一個仿體的第三層即3cm處設置類腫瘤物體作為病變仿體；
Ⅱ、對LED光源進行編號，為Li,i＝1,2,…,13，對光電檢測器進行編號，為Lj,j＝1,2,…,28；
Ⅲ、針對正常仿體和病變仿體，控制LED光源L1產生光強為I0的入射光；
Ⅳ、使用光電檢測器L1對出射光進行探測，測得正常仿體和病變仿體的出射光強I和I′。根據修正的朗伯比爾定律，正常仿體的光密度表達式為
病變仿體的光密度表達式為
式中，聯立公式(1)和(2)，消除因子G，可得
式中，為氧和血紅蛋白濃度差，ΔCHb＝CHb-C′Hb為還原血紅蛋白濃度差；
Ⅴ、依次對光電檢測器L2至L28進行數據採集，重複步驟Ⅳ，獲得光密度差值ΔOD1j,j＝2,3,…,28；
Ⅵ、依次控制LED光源L2至L13點亮，輸出光強為I0的近紅外光，重複步驟Ⅳ和Ⅴ，記錄光密度差值ΔODij,i＝2,3,…,13；j＝2,3,…,28；
Ⅶ、對仿體第一層，即1cm深度的斷層進行成像，選取間距為20mm的光源和檢測器組合，將其光密度差值ΔODij整合為一個集合，對集合進行歸一化處理後，將其作為該點處的像素值，對未知信息檢測點處的像素值，通過插值的方法進行補充。
Ⅷ、重複步驟Ⅶ，分別求解出1cm、2cm、3cm和3.5cm深度處的成像點陣。將像素點繪製成圖形，即可最終獲得仿體的層析成像結果。
本發明的優點是：通過採用本發明的技術方案，基於近紅外光譜血樣檢測原理，提出並設計了一種無損的普及型腫瘤檢測設備，傳統的腫瘤檢測設備，如CT、核磁共振等方法，儀器非常笨重，價格高昂，檢測成本很高，而且X射線等對人體有著無法挽回的損傷，並不能夠作為日常檢查的普及型設備。而本設計使用的近紅外光對人體的穿透作用是完全無損的；人體組織對700～900nm的近紅外光具有低吸收高散射的特性，其中對紅外光的吸收性主要源於水、氧合與血紅蛋白；在不同波長下，人體組織有相異的吸收作用，在合適的波長下，還原血紅蛋白的吸收能力遠大於水與氧合血紅蛋白；在通常情況下，病變組織和正常組織光學參數差異較大；由於生長迅速的癌細胞需要額外的血液供應，惡性腫瘤組織內部的血液含量要高於正常組織，從而導致血液的光學特徵異常，因此若用近紅外光源對人體進行照射，並經紅外探測器收集數據，再通過計算機處理分析組織光學特性，可用來推導有無病變；近紅外光無任何輻射，對人體不會造成任何損害，並且基於近紅外連續波的檢測裝置，造價低廉，操作簡便，因此是一種無損的普及型腫瘤檢測設備。
附圖說明
圖1是本發明系統總體結構圖。
圖2是本發明硬體結構示意圖。
圖3是光在組織中的傳輸示意圖。
圖4是本發明近紅外探頭布局圖。
圖5是本發明實驗流程框圖。
圖6是本發明第一層檢測點示意圖。
圖7是本發明層析成像效果圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
本發明以實現目標區域內每個斷層的圖像重構為最終目標，以增強型STM32F103為控制核心，以三波長LED光源L735/805/850和光電傳感器OPT101為主要硬體，設計出滿足基本測量要求的光強信號測量系統，系統結構如圖1所示，探頭直接與人體/仿體組織接觸以發送和接收近紅外光，將採集到的光強信息傳送到主電路處理後，在PC機上通過進一步的數據處理得到最終的組織內腫瘤圖像。
由圖2所示，一種基於近紅外光譜血氧濃度測量的腫瘤成像系統，包括主控制部分、探頭部分，所述的主控制部分包括控制核心STM32F103，其分別連接光信號產生模塊、數據存儲和通信接口模塊、信號調理和模數轉換模塊，其中數據存儲和通信接口模塊包括SD卡，與上位機通信的USB及串口；信號調理和模數轉換模塊包括數據的放大濾波部分以及模數轉換部分，負責信號的採集和預處理；所述的探頭部分包括光信號產生模塊、光信號接收模塊，其中光信號產生模塊包括由多波長近紅外光源及其驅動電路構成的LED光源，光信號接收模塊包括由光信號接收器OPT101及其驅動模塊構成的光電檢測器。
如圖3所示，本發明以半無窮傳輸介質探測背景中垂直入射光源和界面上點探測器間光子光學路徑分布的解析函數為理論基礎，通過設計探頭上LED光源與光電檢測器的不同位置，來實現對目標組織不同深度位置光強變化量的探測。
進一步的，所述的探頭部分包括尺寸為9×9cm的傳感探頭，傳感探頭包括13個LED光源及28個光電檢測器，其布局如圖4所示，圓形符號代表LED光源，矩形符號代表OTP101探測器，LED光源到探測器的直線距離則會有14.0mm、20.0mm、31.3mm、44.7mm、50.5mm、60.0mm、71.4mm、81.6mm等，相鄰的LED光源和光電檢測器中心距離設定為20mm，在半無窮傳輸介質為探測背景，利用垂直入射光源和界面上點探測器間光子光學路徑分布的解析函數，可推知光源距離探測器為l時，在入射光與探測器組成的平面內光子路徑呈弧狀分布，在兩者的中點處達到路徑深度的最大值d≈21/2l/4。
本系統基於近紅外光譜技術和斷層掃描原理進行腫瘤組織的成像，利用插值算法實現低解析度圖像到高解析度圖像的重構。
使用上述檢測裝置，分別對健康組織和病變組織進行血氧濃度的測量，兩者測量數據的差分結果，表徵了兩者在血氧濃度方面的差異，根據腫瘤組織高血低氧的特點，即可確定腫瘤組織的位置和尺寸信息，並通過顯示裝置實現病變部位的層析成像。為了保證設備的普及性，需限制設備的成本，本設備對硬體構成進行了優化，使用了較少數量的近紅外光源和光電傳感器，但由此帶來了獲得的圖像解析度相對較低的問題，為此，在本系統的數據處理環節，引入了插值算法，對低解析度的圖像進行插值和平滑處理，以獲得高解析度的成像結果。
一種基於近紅外光譜血氧濃度測量的腫瘤成像系統的實驗檢測方法，實驗的流程圖如圖5所示：
Ⅰ、建立實驗模型，使用20％的醫用脂肪乳液、瓊脂以及印度墨水按照固定的比例，調配製作出對近紅外光的散射率和吸收率與正常人體組織相近的兩個相同的9cm×9cm×4cm固態仿體，並分為四層，每層深度為1cm、2cm、3cm、3.5cm，在其中一個仿體的第三層即3cm處設置類腫瘤物體作為病變仿體；
Ⅱ、對LED光源進行編號，為Li,i＝1,2,…,13，對光電檢測器進行編號，為Lj,j＝1,2,…,28；
Ⅲ、針對正常仿體和病變仿體，控制LED光源L1產生光強為I0的入射光；
Ⅳ、使用光電檢測器L1對出射光進行探測，測得正常仿體和病變仿體的出射光強I和I′。根據修正的朗伯比爾定律，正常仿體的光密度表達式為
病變仿體的光密度表達式為
式中，聯立公式(1)和(2)，消除因子G，可得
式中，為氧和血紅蛋白濃度差，ΔCHb＝CHb-C′Hb為還原血紅蛋白濃度差；
Ⅴ、依次對光電檢測器L2至L28進行數據採集，重複步驟Ⅳ，獲得光密度差值ΔOD1j,j＝2,3,…,28；
Ⅵ、依次控制LED光源L2至L13點亮，輸出光強為I0的近紅外光，重複步驟Ⅳ和Ⅴ，記錄光密度差值ΔODij,i＝2,3,…,13；j＝2,3,…,28；
Ⅶ、對仿體第一層，即1cm深度的斷層進行成像，選取間距為20mm的光源和檢測器組合，將其光密度差值ΔODij整合為一個集合，第一層的檢測點如圖6所示，其中實心圓為第一層的檢測點，空心圓為未知檢測點，對集合進行歸一化處理後，將其作為該點處的像素值，對未知信息檢測點處的像素值，通過插值的方法進行補充。
Ⅷ、重複步驟Ⅶ，分別求解出1cm、2cm、3cm和3.5cm深度處的成像點陣。將像素點繪製成圖形，即可最終獲得仿體的層析成像結果。
以圖6中的成像點陣的方式，分別求解出1cm、2cm、3cm和3.5cm深度處的四個成像點陣，通過matlab編程分別進行圖形繪製，最終可實現成像，其效果對應圖7所示的第一幅圖、第二幅圖、第三幅圖、第四幅圖。
本發明是利用陣列式近紅外探頭對病變組織進行逐層探測，並最終通過一系列的信號處理達到成像顯示，定位病變部分，結果表明，本發明能夠在清晰地對腫瘤組織進行斷層成像，相比於單路光源以及線形光源，陣列式探頭可以實現更大範圍和更深層次的檢測，若以更大的角度來對人體某一局部範圍的組織進行整體性檢測，則該系統可以實現腫瘤或異物的三維空間定位，此外，在實驗仿體的製作中充分參考了人體組織，其光學特性與人體組織十分接近，故本發明在仿體腫瘤識別方面的可靠性和準確性，保證了其用於人體實際測量的可行性。
本發明最終的目標是利用血紅蛋白對近紅外光的吸收特點，進行腫瘤的檢測與成像，在上位機上實時顯示出基於氧和血紅蛋白和還原血紅蛋白濃度變化量的功能性圖像，成像精度達到0.05cm，能夠有效地實現對人體腫瘤的初步判定和篩選。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基於本發明整體構思下的不同實現方式，而且本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。