CN108603784B - 用于癌切缘检测的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种多模态超声/光声肿瘤边缘检测系统。该系统可以包括成像和系统控制台，其可以包括超声和数据采集子系统，该超声和数据采集子系统包括被配置为发送和接收超声能量的超声发射器和接收器。配置成提供函数发生器功能和延迟生成功能的主机控制计算机也可以是成像和系统控制台的一部分。

Description

用于癌切缘检测的方法和设备
相关申请的交叉引用
本美国专利申请要求2015年11月2日提交的美国临时申请：62/249,747和2016年2月13日提交的美国临时申请：62/295,028的优先权，其公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并在此通过引用整体并入。
技术领域
本申请涉及光学检测系统，特别是一种可用于外科手术中的光声检测系统。
背景技术
本节介绍可能有助于更好地理解其中的公开内容。因此，这些陈述应该从这个角度来阅读，而不应被理解为是或不是对现有技术的承认。
与所有癌症一样，早期诊断和包括手术切除在内的治疗在提高生存机率中占主导地位。在癌症手术中确认肿瘤的切除对于降低癌症复发率至关重要，从而增加患者的预后。这种确认通常通过手术后组织病理学或术中病理学来完成，但是耗时长且劳动强度大。这对大多数实体瘤手术如乳腺癌、脑癌、皮肤癌、肾癌和肝癌等都是一项挑战。
例如，保乳手术或者称乳房肿瘤切除术，是被广泛接受的乳腺癌治疗方法。为了预防肿瘤切除术后局部癌症复发，要进行组织学检查以检查切除的肿瘤标本是否被足够量的正常组织包围。如果确定是阳性切缘，即切除组织表面与内部肿瘤之间的距离小于约2mm，则将进行第二次手术以使癌症复发的机率最小化。目前，在美国，二次手术的几率约为20％至70％。如此高的二次手术率突出了对于快速和高灵敏度的术中切缘评估的迫切需求。
从临床角度来看，无论在术中还是术后，检查切除组织都是标准流程。设计一种切除组织的术中切缘评估工具的主要标准是：1)高灵敏度：与组织学结果紧密匹配；2)高速：在20分钟内获得结果；3)深层组织穿透：在组织2mm深处成像；4)大的采样面积：检测整个切缘表面；5)不需要病理学家的解答。表1总结了当前和新兴的体外术中切缘评估技术，并详述了它们的速度、探测深度、分辨率、灵敏度和特异性。
细胞学检查和冰冻切片目前在美国的临床上应用，但这两种方法由于采样方法的缘故，过程时间长，灵敏度低。射频波谱技术减少了操作时间，但由于缺乏化学选择性而受到灵敏度和特异性的限制。术中超声成像已被用于指导乳房肿瘤切除术，但其化学选择性差。一些新兴的光学技术，包括漫反射成像、光学相干断层扫描和空间偏移拉曼光谱技术，都大大提高了灵敏度和特异性，但仍存在操作时间长、组织穿透浅或无法评估整个肿瘤组织等问题。近红外荧光成像技术已被报道用于体内乳房肿瘤切除。这项技术需要对特定的癌症目标进行外源性标记，存在标记效率、毒性和监管负担等问题。弥漫性光学断层扫描也被报道用于体内乳房肿瘤成像。但是，由于深度灵敏度的急剧下降，导致其深度分辨率较差。因此，仍存在开发一种快速、灵敏、无标记且能够扫描整个组织表面以进行准确的术中乳腺肿瘤切缘评估的装置的急切需求。
因此，需要一种新颖的装置，能够在术中提供对乳腺癌切缘的高速且高灵敏度的评估。
发明内容
一方面，本发明涉及一种多模式超声/光声肿瘤切缘检测系统。该系统包括成像和系统控制台，其包括超声和数据采集子系统，该超声和数据采集子系统包括被用来发送和接收超声能量的超声发射器和接收器。可以提时间供信号发生器功能和时间延迟功能的主控计算机也可以是成像和系统控制台的一部分。
激光器子系统可由至少一个激光器组成，该激光输出可以耦合到与成像探头匹配的光纤束中。激光器子系统可以进一步包括四分之一波片和半波片，其中半波片和偏振器被用来调节光功率，并且其中四分之一波片被用来保护激光免于后向散射的损害。激光器子系统也可以使用多个镜子。在一个实施例中，可以在激光器子系统中使用六个反射镜。激光器子系统可以包括用作波长转换的晶体。转换机制可以是光学参量振荡效应，拉曼效应或布里渊效应。
成像探头可以包括超声探头，超声探头被超声和数据采集子系统的超声发射器激励并且将数据提供给超声和数据采集子系统的超声接收器。耦合到光纤束的光通道，可以被用来为所需检测的组织提供激光。成像探头可以侧面发射或向前发射。激光的传播可以与超声能量的传播共线。
所述设备可以具有样品扫描平台，被用来存放成像探头和所需检测的组织样品，其中激光和超声用于生成组织图像的多模态数据集。图像可以是二维横截面图像或三维图像。组织可以放置或固定在盒内，并覆盖或浸没在超声波耦合介质内。超声耦合介质可以是水或凝胶。
另一方面，本发明涉及组织的超声/光声成像和确定切除组织的切缘状态的方法。该方法可以包括使用耦合介质将所述组织固定在盒中的步骤。可进行组织的第一面的第一次扫描。第一扫描可以包括超声/光声成像探头用激光照射所述组织，所述探头包括光纤束、至少一个柱面透镜和至少一个载玻片。然后可以通过组织邻近放置的超声探头捕获从组织产生的光声信号。超声波脉冲然后可以经由超声换能器被传输到组织中的焦平面。
然后可以经由换能器阵列捕获从组织产生的超声波信号。然后可以通过预定的距离和方向将组织的焦点相对于超声换能器重新定位。重新定位可以重复预定次数，其中每次超声波脉冲通过换能器阵列被发射和捕获。然后可以通过组合来自第一扫描的各种超声和光声信号来生成组织的图像。
在一些实施例中，组织样品可以相对于换能器旋转180度，并且可以执行组织样品的第二侧的扫描。来自第一和第二次扫描的信号可以被组合以生成组织的图像。在一些实施例中，图像本质上可以是三维的。此外，一种算法可以基于捕获的光声和超声波信号来处理产生的图像或图像组，将组织的部分进一步分类为肿瘤或非肿瘤。
又一方面，本发明涉及包括成像探头和成像室的原位肿瘤切缘检测的成像系统。成像探头可以包括超声换能器，超声换能器被用来为超声和数据采集子系统的超声发射器激励，和将数据提供给超声和数据采集子系统的超声接收器。成像探头还可以包括耦合到光纤束的光学通道，被用来为所需检测的组织提供激光。另外，可以提供被用来保存组织或成像探头的扫描平台。激光和超声可以用来生成组织图像的多模态数据集。特定的组织类型可以通过超声图像和光声图像来识别。计算机系统可以使用算法将组织样品的部分进一步分类为肿瘤或非肿瘤。
附图说明
结合附图并且参考以下对所公开的系统和过程的描述，将有助于更好理解本发明的特征和优点以及达到的方式，在附图中：
图1是多模式超声和光声成像系统的示例性实施例框架图。
图2A是多模式超声和光声成像系统的示例性实施例示意图。
图2B是成像室的示例性实施例的图示。
图3A是成像室的示例性实施例的图示。
图3B是成像室的部件的示例性实施例的图示。
图4A是成像探头的示例性实施例的图示。
图4B是成像探头的各种部件的示例性实施例的图示。
图5是本发明的各种信号采集阶段的数据流示意图。
图6是区分正常组织和肿瘤组织的分析方案的示意图。
图7是用于分析数据和执行组织样品的其他分析的示例性数据处理系统的组件的高层级示意图。
图8A是人体组织形态学的超声图像。
图8B是人体组织形态的光声图像。
图8C是H&E染色后人体组织的图像。
图8D是从患者体内取出的用于测试本发明的肿瘤样品的图像。
图8E是由本发明产生的区分结缔组织和癌组织的图像。
具体实施方式
为了促进对本发明的原理的理解，现将参考附图中提供的实施例，并且将使用特定的语言来描述。然而应该理解的是，由此本发明的范围没有限制。
本文公开了一种新颖的装置，其可以在保乳手术过程中提供对乳腺癌切缘的高速且高灵敏度的术中评估。具体而言，提出了用于高灵敏度的乳腺癌切缘评估的多模态超声/光声(US/PA)成像系统。光声层析成像(PAT)已经证明了其具有化学选择性的快速深层组织成像的能力。此外，该装置还包含超声成像模式。利用血红蛋白，脂肪组织和光声造影剂作为成像标定，本文公开的光声层析成像技术可以应用在乳腺癌成像，用以提供手术指导，及其他成像和外科手术。
当前光声层析成像技术的一个主要问题是用血液作为唯一成像标定，并不能灵敏地确定切缘状态。这是由于血红蛋白主要存在于浸润癌的血管生成过程中，而不是原位导管癌中。通过在1200nm处激发的光声成像可以使脂肪可视化，从而提供新的对比度来辅助切缘评估，尤其是在乳房成像方面，因为脂肪是乳房正常组织的主要组成部分。在光声模式之外，可以实施超声信号的射频(RF)频谱分析以进一步辅助诊断。基于组织机械性质的差异，超声的射频频谱分析可以被示范性地用于在超声成像中定量区分组织类型。根据本文公开内容，同时使用来自PAT和US的射频频谱分析的对比度可以协同增强肿瘤评估的灵敏度和特异性。这种多对比系统可以获得全面的组织特异性信息，因此与上述单一对比技术相比，它可以实现更好的灵敏度和特异性。
相应地，该装置已经证实了具有大于3mm的深层组织探测，2分钟以的高速成像，可覆盖约40cm 2面积并且没有外源标记的能力。这些参数完全符合术中切缘评估的要求，是现有的平台技术无法实现的。
图1，其提供了根据本发明的多模态超声/光声(US/PA)装置的示例性实施例的高层级框架图。该装置可以包括成像和系统控制台模块101，可以跟成像和系统控制台模块101通信的激光器子系统模块103，以及可耦合到激光器子系统模块103的成像探头和成像室模块105，其也可以跟成像和系统控制台模块101通信。
图2A-B，展出了图1的更详细的示意图。成像和系统控制台模块101包括两部分：超声源和数据采集子系统107，以及系统控制台109，其包括包含时间信号发生器111和时间延迟发生器113的主控计算机1000。两个部件可以通过任何合适的连接器131连接，例如PCIe电缆。超声源和数据采集子系统107可以充当超声发射器和接收器，其允许双模式的传统超声和光声成像。在一个实施例中，仅举例而言，超声源和数据采集子系统满足128通道信息交换，65MHz采样率，100μm超声分辨率和150μm光声分辨率。主控计算机1000还可以包括用户界面114，用于图像重建和显示成像结果。主控计算机1000还可以包含时间信号发生器111和时间延迟发生器113，可以同步脉冲激励和信号采集。
系统控制台109可以使用任何合适的连接器133跟激光器子系统103通信。激光器子系统103模块包括光源，诸如用作光激励源的激光器117。一个示例性实施例可以使用定制的Nd：YAG泵浦拉曼激光器115，其类似于在美国专利9,257,928中公开的，在此引入作为参考。图2A中示出了拉曼激光器117的一个示例性实施例的示意图。半波片232和随后的偏振器230可以用于调节激光能量。光束截止器260可以用于收集从偏振器230反射的光。四分之一波片258起到保护Nd：YAG激光器115免受后向散射的损害。镜子可以以适当的排布和适当的方向定位在整个激光器子系统中。在一个示例性实施例中，拉曼激光器117可以具有谐振器后端镜240，可以镀膜在1197nm(R>99％)处具有高反射率并且在1064nm处具有高透射率。输出耦合镜242可以镀膜在1064nm(R>99％)处具有高反射率和1197nm的40％透射率。可以理解的是，其他反射率涂层也可以用在镜子上以满足用户的各种成像需要。
晶体220可以布置在激光器的腔内。一种类型的晶体可以是硝酸钡Ba(NO3)2晶体并且可以具有约4mm×4mm×38mm的尺寸，并且在两个面上在1064nm和1197nm处涂覆有高透射率。反射镜250,252,254,256可以定位在45度并且是1064nm反射镜。如前所述，拉曼晶体每一端上的两个反射镜240,242可以在反射镜上具有特殊的涂层，并且可以作为Ba(NO3)2拉曼晶体的谐振腔。反射镜250和256可以放置在电动翻转光学调整架中，从而允许用户通过系统控制台109的手持控制板根据需要切换1064nm和1197nm输出，系统控制台109可以跟激光器子系统103通信。激光输出可以直接耦合到光纤束119中，其中在一个实施例中，光纤束119可以具有大约1cm的直径。光纤束119还可具有两个输出终端，在一些实施例中，所述远端端子可以是尺寸为约12mm×2mm的矩形。其输出终端可以在两侧与超声换能器129平行地固定。光纤束119可以耦合到成像探头121。
成像探头121可以包括至少一个超声换能器129和光纤束固定器127。在一些实施例中，超声换能器可以包括多个换能器阵列。成像探头121可以用于对样品盒137内的组织样品进行成像。样品盒137可以放置在样品台123上。样品盒137可以是任何合适的形状，在一个示例性实施例中，样品盒是锥体的形状。所有由外壳覆盖的光学元件都可以通过安装在光学面板上的光学接杆和光学接杆支架来放置。这里标识的特定光学设备用于演示目的，并且本发明的范围不应限于这些设备。
图2B是用于样品盒137和成像室105的成像探头121的示例性实施例的图示。在一个示例性实施例中，成像探头121和成像室105模块可以包括一个超声换能器129，一个或两个光纤束终端127，扫描台123和样品盒137。在从光纤束终端发出激光时，超声波从样品盒137中的切除的肿瘤组织125产生。超声波可以由超声换能器129阵列接收录。通过以任何合适连接(例如USB电缆)的主控计算机1000控制的X-Y二维扫描平台123。切除的肿瘤组织的三维图像将被采集并显示在用户界面114上。这里标识的特定设备用于演示目的，并且本发明的范围不应限于这些设备。
成像腔室105被设计成可实现自动三维肿瘤组织成像并且可以是任何合适的尺寸。在一个示例性实施例中，成像室105可具有大约330mm×260mm×380mm的尺寸。成像室可以包括成像探头，X-Y计算机数字控制(CNC)台，垂直升降台，组织压缩单元和排水单元。在一个示例性实施例中，成像室可以填充有流体，例如水。
一旦切除了肿瘤组织，其可首先用盐溶液如约0.9％的盐溶液冲洗。然后可以将肿瘤放置在样品盒的上方。样品盒可以包括用于保持组织的泡沫，可吸收声波并且缓冲由于压缩引起的形变。作为替代或者除泡沫之外，可以使用耦合介质来支撑组织样品。在成像室的该示例性实施例中，室的顶盖可以通过手柄打开。然后可以将样品盒放入扫描平台。根据放置标准将组织定向放在样品盒上。然后可以关闭顶盖，并且可以使用垂直升降台来调节样品盒的高度，以便使组织与塑料膜或薄膜紧密接触，薄膜用于将耦合介质放置并压缩在样品的顶部。塑料膜可以由聚氯乙烯，聚乙烯，聚偏二氟乙烯，硅树脂，聚偏二氯乙烯或其他类似材料构成。从光纤束终端激发激光之后，在一个示例性实施例中可以是约5×2mm2，可以从切除的肿瘤组织产生超声波。超声波然后可以被具有128个元件和预定频率的超声换能器阵列接收。在一个实施例中，预定频率是18MHz的中心频率。超声换能器可以使用任何合适的连接器135(例如Cannon HDI格式ZIF连接器)连接到超声源和数据采集子系统。通过由主控计算机控制的X-Y CNC台，可以获取切除的肿瘤组织的三维成像。
图3A是成像室的正三轴测视图。图3B是可以包括各种部件和成像室的示例性实施例的图示。成像室可以包括顶盖301，气弹簧303，305，手柄307，CNC平台309，成像探头支架311，成像探头313，排水管315，表面安装铰链317,319，压缩板321，水示意图323，组织压紧杆325，具有塑料膜或薄膜的可更换板327，可更换组织盒329，样品盒支架331，垂直升降台333和底盖335。
样品室可以由三部分组成：具有X-Z扫描台309的成像探头313，具有预填充超声凝胶的样品盒329，以及具有成像窗口的水箱或样品盒支架331。从患者取出肿瘤组织后，可将其转移至样品盒。可以使用预填充的支撑介质或耦合介质将组织固定在适当的位置进行成像。在一个示例性实施例中，支撑介质可以是超声凝胶。样品盒可以放在水箱或样品盒支架中。在一个示例性实施例中，水箱或样品盒支架尺寸可以是大约240mm长，140mm宽，150mm高。临床生理盐水溶液可以添加到样品盒和水箱中，并且可以作为成像探头的耦合介质。
图4示出了成像探头的一个示例性实施例的细节设计。这种共线设计确保激光和超声波沿同样的共线路径到达组织样品。来自光纤束427的激光可以先通过一个或多个圆柱形透镜439进行准直。准直后的光然后可以被具有高反射涂层的大约45度的反射镜441反射。在一个实施例中，反射镜可以是大约1英寸直径，0.25英寸厚，并且在1197nm处左右具有大约99.9％的反射率。
在被光纤束427终端的激光激发之后，超声波从样品盒中的切除的肿瘤组织产生。超声波可以由超声换能器阵列429记录。超声换能器阵列的一个示例性实施例可以具有大约128个检测单元和18MHz的中心频率。超声换能器429连接到超声源和数据采集子系统。可以使用任何合适的连接线缆，例如Cannon HDl格式ZIF连接器。由主控计算机通过任何合适的连接(例如USB电缆)来控制X-Z扫描台。切除的肿瘤组织的感测面的三维成像即可获取。单面扫描后，样品盒可以翻转180度。然后可以对另一面进行第二次扫描。通过这种方式，可以生成整个样品的三维成像。
每个样品可以用样品盒内的耦合介质例如2.5％H 2O-琼脂糖凝胶固定。在一个示例性实施例中，在盒的包装和准备期间，可以将凝胶或其他耦合介质预加载到盒中。一旦接收到样品盒，医生就不需要对盒进行任何准备，这是由于盒具有耦合介质的预加载性质并且准备接受需要由系统扫描的任何样品。可以将盐水溶液作为超声耦合介质添加到样品架中。将换能器浸入盐水溶液后，可以获得整个样品顶部表面或第一面的步长约100微米的US/PA成像。样品可以翻转，然后可以对底面或第二面进行成像。这也可以通过翻转盒或在成像室内旋转盒来完成，以确保整个样品被正确成像。
通过应用沿每个US/RF信号通道的宽度约0.4mm的滑动高斯窗口，可以获得每个窗口的平均RF频谱，然后使用k-均值聚类算法将其输出到组织进行分类，产生三型组织图。与双色PA图像一起，可以用代表不同类型组织的不同颜色编码产生组织图。在一个示例性实施例中，可以使用修改的反投影算法来构建3D图像。
样品盒可以是任何合适的形状以有助于支撑将由成像系统分析的样品。样品盒的一个示例性实施例可以是金字塔形状。金字塔形状允许样品盒支持各种尺寸的样品。倒金字塔形状有助于将样品与耦合介质一起支撑在盒内。这样可以使成像系统更好地分析样品，而无需在样品放入样品盒之后调整样品盒或样品。这种形状有助于为第一和第二样品面成像提供均匀的表面。成像探头用于采集常规超声图像和光声图像。在一个示例性实施例中，成像探头可以是103×35×35mm3。如图4B所示，成像探头可以包括换能器阵列429，光纤束427，柱面透镜439和两个载玻片441，443。光纤束可以传输来自激光器子系统的激光。柱面透镜可以用于将光弱聚焦到组织表面以产生光声信号。共线成像探头的一个示例性实施例包括保持在盖安装组件445,447内的换能器阵列。光纤束和柱面透镜位于盖安装组件445，447内并且载玻片441，443位于靠近柱面透镜439和换能器阵列429。
图5中示出了根据本发明的系统的数据流。在一个示例性实施例中，函数发生器可输出一个大约10Hz，10μs晶体管-晶体管逻辑(TTL)信号以在预定时间段501内触发Nd：YAG激光器的闪光灯和时间延迟发生器，例如为100毫秒。时间延迟发生器可以输出两个10Hz，10μs的TTL信号，延迟时间503约为299μs，以同时触发Nd：YAG激光器的Q开关和数据采集子系统。然后可以用超声换能器获取光声信号507。一旦采集完成，超声模式立即工作。超声换能器然后可以发送超声脉冲到样品中在预定深度的焦平面。超声换能器然后可以立即接收回波信息509，并以射频数据格式存储信息。在固有延迟505约为327μs的情况下，换能器发送另一个超声脉冲以将样品中的焦点横向平移0.1mm，并以相同的方式记录数据。焦点总共按顺序平移大约0.1毫米总计128次(换能器元件编号)。
然后可以将PA图像和US信号的RF分析组合以提取全面的组织特异性信息。图6示出了用于区分正常或非癌性组织601和肿瘤或癌性组织603的分析方案的图解。光声通过在超声射频信号的每个通道上应用宽度约为0.4mm的滑动高斯窗口，可以获得每个窗口的平均RF频谱，然后使用k-均值聚类算法将其输出到组织进行分类，产生三型组织图。与双色PA图像一起，我们制作了具有代表不同类型组织的不同颜色编码的组织图。应用图6所示的分类方案，包括脂肪605，血管607，钙化609，纤维化611和恶性613对比的五种分类可以进一步分为癌症603与非癌症601类别，为确定阳性/阴性切缘提供依据。因此，根据双色PA图像以及US图像的RF频谱分析所提供的对比度，肿瘤可以从主要类型的正常组织中区分出来。这些可以包括PA-脂肪对比615，PA-血红蛋白对比617以及其他PA和RF谱对比619，621，623。
参照图7，提供了用于分析数据和执行在此描述的其他分析的示例性数据处理系统1000的组件以及相关组件的高层级图。该系统包括处理器1086，外围系统1020，用户界面系统1030和数据存储系统1040。外围系统1020，用户界面系统1030和数据存储系统1040可以跟处理器1086通信。处理器1086可以连接到网络1050(以虚线示出)，例如互联网或租用线路，如下所述。文中描述的成像和3D点数据可以使用成像传感器1021获得和/或使用显示单元(包括在用户界面系统1030中)显示，其中显示单元包括一个或多个系统1086，1020，1030，1040，并且各自可以连接到一个或多个网络1050。
处理器1086和本文所述的其它处理设备可各自包括一个或多个微处理器，微控制器，现场可编程门阵列(FPGA)，专用集成电路(ASIC)，可编程逻辑设备(PLD)，可编程逻辑阵列(PLA)，可编程阵列逻辑器件(PAL)或数字信号处理器(DSP)。
处理器1086可以实现本文描述的各个方面的过程。处理器1086可以是或包括用于自动操作数据的一个或多个设备，例如中央处理单元(CPU)，微控制器(MCU)，台式计算机，膝上型计算机，大型计算机，个人数字助理，数码相机，手机，智能手机或用于处理数据，管理数据或处理数据的任何其他设备，无论是使用电，磁，光学，生物组件或其他方式实施。处理器1086可以包括哈佛体系结构组件，修改的哈佛体系结构组件或冯诺依曼体系结构组件。
短语“通信地连接”包括用于在设备或处理器之间传送数据的有线或无线的任何类型的连接。这些设备或处理器可以位于实体附近，也可以不在。例如，诸如外围系统1020，用户界面系统1030和数据存储系统1040的子系统与数据处理系统1086分开显示，但是可以完全或部分地存储在数据处理系统1086内。
外围系统1020可以包括被配置为向处理器1086提供数字内容记录的一个或多个设备。例如，外围系统1020可以包括数码相机，数码摄像机，手机或其他数据处理器。一旦从外围系统1020中的设备接收到数字内容记录，处理器1086可以将这样的数字内容记录存储在数据存储系统1040中。
用户界面系统1030可以包括鼠标，键盘，另一个计算机(例如通过网络或零调制解调器电缆连接)，或者是从其中将数据输入到处理器1086的任何设备或设备的组合。用户界面系统1030还可以包括显示设备，处理器可访问的存储器或处理器1086将数据输出到的任何设备或设备组合。用户界面系统1030和数据存储系统1040可以共享处理器可访问的存储器。
在很多方面，处理器1086包括或者连接到通过网络链接1016(以虚影示出)耦合到网络1050的通信接口1015。例如，通信接口1015可以包括综合业务数字网络(ISDN)终端适配器或经由电话线传送数据的调制解调器；经由局域网(LAN)(例如，以太网LAN或广域网(WAN))传送数据的网络接口；或经由无线链接(例如WiFi或GSM)传送数据的无线电。通信接口1015发送和接收电信号，电磁信号或光信号，其携带表示跨越网络链接1016到网络1050的各种类型信息的数字或模拟数据流。网络链接1016可以经由交换机，网关，集线器，路由器或其他联网设备连接到网络1050。
处理器1086可以通过网络1050，网络链接1016和通信接口1015发送消息并接收包括程序代码的数据。例如，服务器可以在与其连接的有形的非易失性的计算机可读存储介质上存储应用程序(例如，JAVA小应用程序)的所请求的代码。服务器可以从介质中检索代码并通过网络1050将其发送到通信接口1015。接收到的代码可以在被接收时由处理器1086执行，或者存储在数据存储系统1040中以供稍后执行。
数据存储系统1040可以包括或可通信地与被配置为存储信息的一个或多个处理器可访问存储器连接。存储器可以例如在机箱内或作为分布式系统的一部分。短语“处理器可访问的存储器”旨在包括处理器1086可以向其传送数据(使用外围系统1020的适当组件)的任何数据存储设备，不管是易失性的还是非易失性的；可拆卸或固定；电子，磁性，光学，化学，机械或其他。示例性的处理器可访问的存储器包括但不限于：寄存器，软盘，硬盘，磁带，条形码，光盘，DVD，只读存储器(ROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM，EEPROM或闪存)和随机存取存储器(RAM)。数据存储系统1040中的处理器可访问存储器之一可以是有形的非暂时性计算机可读存储介质，即参与存储可提供给处理器1086执行的指令的非临时性设备或制造品。
在一个示例中，数据存储系统1040包括代码存储器1041(例如RAM)和盘1043(例如有形的计算机可读旋转存储设备，例如硬盘驱动器)。计算机程序指令从磁盘1043读入代码存储器1041。
处理器1086然后执行加载到代码存储器1041中的一个或多个计算机程序指令序列，以执行在此描述的处理步骤。这样，处理器1086执行计算机实现的过程。例如，可以通过计算机程序指令来实现在此描述的方法的步骤，流程图框或框图以及这些的组合。代码存储器1041也可以存储数据，或者可以只存储代码。
这里描述的各个方面可以体现为系统或方法。因此，本文的各个方面可以采取完全硬件方面，完全软件方面(包括固件，驻留软件，微代码等)或组合软件和硬件方面的形式。这些方面在这里通常都可以被称为“服务”，“电路”，“电路”，“模块”或“系统”。
此外，本文的各个方面可以体现为包括存储在有形的非暂时性计算机可读介质上的计算机可读程序代码的计算机程序产品。这种介质可以按照常规用于这种制品的方式制造，例如通过压制CD-ROM。程序代码包括可以加载到处理器1086(以及可能还有其他处理器)中的计算机程序指令，以使处理器1086(或其他处理器)执行本文的各个方面的功能，动作或操作步骤。用于执行此处描述的各个方面操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写，并且可以从磁盘1043加载到代码存储器1041中以供执行。程序代码可以例如完全在处理器1086上执行，部分在处理器1086上执行，部分执行在连接到网络1050的远程计算机上，或者完全在远程计算机上执行。
实验数据和结果
图8A-E示出了由本发明的系统拍摄的代表性图像和相关的组织病理学结果。图8D所示的肿瘤标本是从诊断为浸润性导管癌的68岁女性患者身上切除的。图8A所示的B模式US图像识别组织形态。在1197nm处的光声成像(图8B)可以显示切除组织3mm内的脂肪分布，代表健康组织。
基于H&E染色切片(图8C)，没有脂肪的区域被认定为癌性组织802或结缔组织801，可以基于其独特的频率响应通过RF频谱分析进一步区分。采用X-Y扫描装置，可以实现样品的二维扫描，如图8D中的黑色箭头所示。
在图8E中示出由本系统产生的三维成像(四分钟之内获得)，示出了组织边界，脂肪组织，结缔组织801和癌性组织802。癌组织侵入切除的标本表面，表明这是一个阳性切缘，这与组织病理学结果一致。根据本发明的系统已经在数十个样品中实现了约100％的灵敏度和约85％的特异性。
为了确认切缘状态，将切下的乳房肿瘤组织用代表不同区域的不同颜色的涂料标记。标记的组织被切成几块以适应盒子大小。通常，选取一个区块中的一个区段用于H&E染色，由病理学家评估以确定切缘状态。病理学家不知道来自本发明的系统的图像和结果。
本申请旨在涵盖本主题的修改或变化。应该理解的是，以上描述应是说明性的而不是限制性的。本主题的范围应该参考所附声明以及这些声明有权享有的法定等同物的全部范围来确定。

Claims (17)

1.一种多模态超声/光声肿瘤切缘检测系统，包括：
a)成像和系统控制台，包括：
超声和数据采集子系统，其包括用来发送和接收超声能量的超声发射器和接收器，以及
主控计算机，其可以提供时间信号生成功能和时间延迟生成功能，以及控制成像探头的二维扫描和激光的操控；
b)激光器子系统，包括耦合到光纤束的至少一个激光器和多个反射镜，所述激光器是拉曼激光器，所述激光器的腔内布置有硝酸钡Ba(NO3)2拉曼晶体；
c)成像探头和成像室，包括
超声换能器，被配置为由超声和数据采集子系统的超声发射器激励，并向超声和数据采集子系统的超声接收器提供数据；所述超声换能器进一步被配置为获取光声信号，一旦采集完成，超声模式立即工作，所述超声换能器发送超声脉冲到样品中在预定深度的焦平面，并立即接收回波信息，并以射频数据格式存储信息；
耦合到所述光纤束的光学通道，被配置为向检测的组织提供激光，以及
扫描台，其被配置为存放成像探头，其中激光和超声用于生成组织图像的多模态数据集；
所述成像室被设计成可实现自动三维肿瘤组织成像，所述成像室包括被配置为压缩所述组织表面并传输所述激光和超声的塑料膜以及垂直升降台，所述垂直升降台用于调节组织盒的高度以使组织与塑料膜紧密接触，所述塑料膜用于将耦合介质放置并压缩在组织的顶部；
所述探头中激光和超声共享相同路径。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光可以与所述超声能量的传播共线对齐。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光器是Nd：YAG泵浦拉曼激光器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述组织盒具有缓冲垫以吸收所述冲击和超声波。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述塑料膜可以由聚氯乙烯，聚乙烯，聚偏二氟乙烯，硅树脂或聚偏二氯乙烯制成。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光器子系统还包括半波片和四分之一波片，其中所述半波片和偏振器被配置为调节激光能量，并且其中所述四分之一波片被配置为保护激光器免于后向散射的伤害。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个反射镜包括第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜和第六反射镜。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一反射镜，第四反射镜，第五反射镜和第六反射镜以45度角定位并且被布置成引导由所述激光器发射的激光的配置。
9.一种用于检查组织样品的多模式超声/光声肿瘤切缘检测系统，包括：
a)成像和系统控制台，包括：
包括超声发射器和接收器的超声和数据采集子系统，以及
主控计算机，被配置为提供函数生成器功能和延迟生成功能，以及控制成像探头的二维扫描和激光的操控；
b)激光器子系统，包括：
至少一个耦合到光纤束的激光器，所述激光器是拉曼激光器，
所述激光器的腔内布置有硝酸钡Ba(NO3)2拉曼晶体，
半波片，
偏振器，
四分之一波片，以及
包括第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜和第六反射镜的多个反射镜，其中所述多个反射镜布置为引导由所述激光器发射的激光的装置；
c)成像探头和成像室，包括：
超声换能器，被配置为由超声和数据采集子系统的超声发射器激励，并向超声和数据采集子系统的超声接收器提供数据，所述超声换能器进一步被配置为获取光声信号，一旦采集完成，超声模式立即工作，所述超声换能器发送超声脉冲到样品中在预定深度的焦平面，并立即接收回波信息，并以射频数据格式存储信息，
耦合到所述光纤束的光学通道，被配置为向所研究的组织样品提供激光，其中所述激光和超声共享通过所述成像探头的相同路径，
扫描台，其被配置为保存组织成像探头，其中所述激光和超声用于生成所述组织的图像的多模态数据集，其中所述光学激励和所述超声波传送和接收共享通过所述成像探头的相同路径，
塑料薄膜，其被配置为压缩组织表面并传输光能和超声波能量，其中塑料薄膜可以由聚氯乙烯，聚乙烯，聚偏二氟乙烯，硅树脂或聚偏二氯乙烯制成，
所述成像室被设计成可实现自动三维肿瘤组织成像，所述成像室还包括垂直升降台，所述垂直升降台用于调节组织盒的高度以使组织与塑料膜紧密接触，所述塑料膜用于将耦合介质放置并压缩在组织的顶部。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的超声/光声肿瘤切缘检测系统的组织样品的超声/光声成像和确定被切除的组织的切缘状态的方法，包括：
将组织样品固定在盒中，其中所述盒具有耦合介质以将组织样品保持在盒内；
执行对所述组织的第一面的第一扫描，其中所述扫描包括：
用激光经由包括激光器的成像探头通过光声效应刺激所述组织，所述激光器包括光纤束，至少一个柱面透镜和至少一个载玻片，
通过紧邻组织放置的换能器阵列捕获从所述组织产生的光声信号，
经由超声换能器将超声脉冲发送到组织的预定深度处的第一焦点，
通过换能器阵列捕获从所述组织产生的超声波信号并以射频数据格式存储信息，以及
将组织的焦点相对于超声换能器重新定位预定的距离和方向，并重复刺激组织和捕获超声波信号的步骤；以及
通过组合来自第一次扫描捕获的光声和超声信号来生成组织的三维图像。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括使用算法基于捕获的光声和超声信号将所述组织的区域分类为肿瘤或非肿瘤的步骤。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括通过相对于所述超声换能器旋转所述样品180度来执行所述组织的第二面的第二扫描。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述激光器是Nd：YAG泵浦拉曼激光器。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述耦合介质是水凝胶。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述超声换能器由128个通道互换元件组成。
16.根据权利要求10所述的方法，其中由所述成像探头发射的光被所述柱面透镜准直。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述组织可以是乳房组织，肾组织，脑组织，肝组织，皮肤组织，肺组织，前列腺组织或胃组织。
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