CN101334399A - 一种肺癌诊断的便携式装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种肺癌诊断的便携式装置，它包括气囊、气泵、缓冲气室、反应气室、图像采集和处理系统及控制系统；气囊采集疑似肺癌患者的呼出气体，与预先设计好的卟啉传感器阵列(检测肺癌标志物的传感器阵列，如果有肺癌标志物反应前后传感器阵列的颜色将出现变化)在反应气室里反应，通过控制系统控制图像采集和处理系统实现图像反应前和反应后的采集，并进行对照，对采集到的图像进行预处理，得出反应前与反应后的差值图像，进而与专家病变数据库中的数据进行对比，获得检测结果，最后通过液晶屏或者微型打印机将检测结果显示出来，从而判断患者是否患有肺癌。

Description

一种肺癌诊断的便携式装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术，具体涉及一种通过患者呼出气体进行肺癌诊断的便携式装置。

技术背景

原发性支气管肺癌，简称肺癌，为当前世界各地最常见的恶性肿瘤之一，是一种严重威胁人类健康和生命的疾病。世界卫生组织(WHO)2000年报告，1997年全世界死于恶性肿瘤的共706.5万人，占死亡人数的12.6％，其中肺癌占恶性肿瘤死亡的19％，居恶性肿瘤死因的第一位。据估计，全世界每年有60万左右新增肺癌病人，发病率在多数国家都有明显增高的趋势。目前临床上，肺癌的常见诊断方法有：X射线检测、电子计算机断层扫描(CT)、磁共振断层扫描(MRI)、痰脱落细胞检查、纤维支气管检查、经皮肺穿刺活检等，虽然此类检查方法能达到预期肺癌诊断的效果，但是采用这些方法的设备庞大、价格昂贵，对病人的创伤大，还需要熟练操作的专业人员进行操作，并且得到的结果还要专业的医务人员进行分析处理，大大加大了医务人员的负担。CN1647756A公开了一种“用于诊断早期肺癌的呼吸检测方法及其设备”，该装置先把疑似肺癌患者的呼吸气体用固相微萃取针插入气体热脱附器，使之热脱落附，热脱落附后的有机气体成分通过气相色谱毛细血管柱进行分离，使被测有机气体按时间顺序依次到达由一对高频延迟线声表面波传感器做成的检测头，由检测头上的有机气体敏感膜吸附，从而检测到被测有机气体成分的含量，对11种肺癌标志性有机成分，进行数字图像处理和神经网络模式识别，从而能够诊断肺癌患者。但是，该装置对肺癌的检测原理上采用的是对患者呼出气体中的肺癌特征物质采用了分子之间的范德华力进行的物理吸附。相比之下采用化学反应更具稳定性，灵敏度更好、分子之间结合度更高，检测效果更好，灵活性更好(可更改传感器上的化学物质，检测更多的标志物)；在结构上先要使用固相微萃取针插入气体热脱附器，使之热脱落附，然后再经气相色谱仪进行分离，最后用气体敏感膜吸附，从而检测被测有机气体的成分，增加了检测的复杂性；将肺癌检测与分析分离，需要熟练操作的医务人员才能进行操作。因此，设计出无创、廉价、操作简单方便诊断肺癌的装置具有很大的实用意义。

发明内容

针对现有肺癌诊断设备存在价格昂贵、体积庞大、操作不方便之不足，本发明的目的在于提供一种价格低廉、体积小巧、操作简单，并且无创，将肺癌的检测与分析集成到一个小型设备中，运用自动控制的原理，使肺癌的检测与分析可以通过一键完成，通过患者呼出气体内含有的肺癌特征物质进行肺癌诊断的便携式装置。

本发明是通过以下技术方案实现上述目的的：一种肺癌诊断的便携式装置，其特征在于，它具有气囊、气泵、缓冲气室、反应气室、图像采集和处理系统及控制系统；气囊、气泵、缓冲气室、流量传感器和反应气室通过电磁阀依次串联；缓冲气室内设有湿度传感器、温度传感器和电加热装置；反应气室内设有卟啉传感器；控制系统包括嵌入式开发板PC104模块、MCU单片机、LCD触摸屏、GPRS模块、电磁阀驱动模块、气泵驱动模块、电加热模块、温度采集模块、湿度采集模块、流量采集模块和可控照明装置；

其中，气囊、气泵：用于采集疑似肺癌患者的呼出气体；

电磁阀驱动模块：控制各电磁阀的开闭，控制反应气路的通断，以及气体在气路和反应气室的流向；

气泵驱动模块：将气囊采集到的患者气体依次抽进缓冲气室和反应气室，使气体在缓冲气室内平衡，再在反应气室中与预先的卟啉传感器反应；通过调节单片机系统(MCU)调节PWM脉冲高电平的宽度，控制电机的转速，进而控制气泵的抽气速度；

温度采集模块：采集缓冲气室的气流温度，通过单片机系统控制数字温度传感器DS18B20对该装置中气流温度的采集，用以确定气流的温度是否是卟啉传感器与气体反应的最佳温度，从而通过单片机系统MCU控制电加热装置的开闭；

电加热模块：通过MCU控制电加热器的开闭，完成对温度的控制；

流量传感模块和湿度传感模块：通过流量传感器和湿度传感器测量气流的流速和气流的湿度，反馈给单片机一个信号完成流速和湿度的自适应控制；通过对流量传感器的输出信号对时间进行积分得到反应的总流量；

图像采集和处理系统：包括光学镜头、摄像头和图像传感器，图像传感器采集图像，获得图像数据；

嵌入式开发板PC104模块：该模块内嵌入Windows操作系统，完成整个系统的控制、管理、图像数据的存储以及图像处理算法的实现；嵌入式开发板的输出通过串口或者USB口经单片机系统MCU，再与电磁阀驱动模块、气泵驱动模块、电加热模块、温度采集模块、湿度采集模块、微型打印机模块、流量采集模块及其可控照明装置进行电连接；

当反应气室总流量达到500mL-2L，反应完毕，关闭气泵停止抽气，打开照明装置和摄像头进行拍照；

MCU单片机：完成系统的辅助控制，通过接收嵌入式开发板PC104模块的命令打开关闭可控照明装置，以及控制反应气路中电磁阀驱动模块、气泵驱动模块、电加热装置、温度采集模块、湿度采集模块、微型打印机模块、流量采集模块及其可控照明装置的工作状态；

LCD触摸屏：用于发送控制系统的控制指令、调节系统工作参数，显示采样前后的图像以及测量结果，该LCD触摸屏通过VGA接口和USB接口与嵌入式开发板PC104模块相连；

存储介质CF卡：用于存储Windows操作系统、反应前后的图像、差值图像以及测量结果；

可控照明装置：提供本装置在反应气室采集反应前后的图像所需要的光源，在嵌入式开发板的协调下与图像传感器同步工作。

使用本发明装置，由气囊采集疑似肺癌患者的呼出气体，由嵌入式开发板PC104模块控制使所述呼出气体与反应气室预先设计好的卟啉传感器阵列(检测肺癌标志物的传感器阵列，如果有肺癌标志物反应前后传感器阵列的颜色将出现变化)反应，通过控制USB摄像头采集反应前和反应后的图像进行对照，通过对采集到的图像进行预处理，得出反应前与反应后的差值图像，进而与专家病变数据库中的数据进行对比，获得检测结果，最后通过液晶屏或者微型打印机将检测结果显示出来，从而判断患者是否患有肺癌。

相比现有技术，本发明具有以下优点：

1.由嵌入式开发板(PC104)完成主控制及其图像处理分析算法，单片机系统完成辅助控制，将检测和分析一同集成到一个小型的设备中，摆脱了传统检测与分析分离的方式，操作简单，能快速得出检测结果。可以无创、方便、廉价的对肺癌患者进行检测。

2.采用嵌入式开发板(PC104)，减小了系统的体积和成本，由于采用了Windows的操作系统，使该系统便于移植和换代升级；运用嵌入式开发板强大的运算能力，采用了嵌入式开发板和MCU协同工作的方式，嵌入式开发板完成系统的控制、管理、图像数据的存储以及图像处理算法的实现，而MCU主要完成对系统的辅助性控制；嵌入式开发板(PC104)与单片机系统(MCU)协同的工作模式，由单片机系统负责控制系统的外围电路，使所做的系统更容易扩展外围设备，并且减轻了嵌入式开发板的负荷。

3.该系统具有运行稳定，移植性强等优点，并且将无线GPRS集成到该系统中，可以通过GPRS网络与远程医疗终端进行连接，使得该仪器可以适用于通讯交通不发达的地区，因此具有很大的实用意义。

4.由于该装置能检测气体成分，也可在食品、化工、生物医学、农产品加工、中药、空气污染监测等领域中对挥发性有机物进行定性检测。

附图说明

图1是肺癌诊断便携式装置的系统结构简图。

图2是肺癌诊断便携式装置的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种肺癌诊断的便携式装置，包括壳体、置于壳体内的软硬件电路和光学系统组成；它还具有气囊、气泵、缓冲气室、反应气室、图像采集和处理系统及控制系统；气囊、气泵、缓冲气室和反应气室通过电磁阀依次串联；缓冲气室内设有湿度传感器、温度传感器和电加热装置；反应气室内设有卟啉传感器；控制系统包括嵌入式开发板PC104模块、MCU单片机、LCD触摸屏、GPRS模块、电磁阀驱动模块、气泵驱动模块、电加热模块、温度采集模块、湿度采集模块、流量采集模块和可控照明装置；

其中，嵌入式开发板PC104模块通过USB口或者串口与单片机系统(MCU)装置电连接；通过USB口与CCD图像传感器装置电连接；通过VGA和USB接口与触摸屏进行电连接；通过串口与GPRS模块进行电连接；通过CF卡插座与CF卡进行电连接。所述单片机系统(MCU)的输出端口与电磁阀驱动模块、气泵驱动模块、微型打印机装置、电加热器及其可控照明装置进行电连接；温度采集模块、流量采集模块、湿度采集模块与单片机系统(MCU)的输入端口进行电连接。

参见图2，将系统通电，初始化外围电路，将预先做好的卟啉传感器设于反应气室内，打开摄像头和照明装置对反应前试样进行拍照；拍照完毕后，由嵌入式开发板通过串口或者USB口发送命令给MCU，打开两通电磁阀，开始采集患者呼出气体，通过单向阀门，将患者呼出气体存储于气囊内，采集完毕后，打开三通电磁阀1(打开气室到气泵方向的通道)、直流电机和打开三通电磁阀2(打开流向大气的通道，关闭流向反应室的通道)，将气囊中的气体抽出，该气体用于清除管道内的冗余气体，将冗余气体清除完毕后，再打开三通电磁阀2流向反应气室的通道，关闭流向大气的通道。同时运用电加热器件进行恒温加热，升高气体的温度(通过升高气体的温度，从而降低气体的湿度)，同时运用湿度传感器、数字温度传感器、流量传感器测量该气体的湿度、温度及其气体流量和流速，将此信息反馈给MCU处理器完成对该系统的自适应控制，即通过湿度、温度和流量传感器的反馈信号来控制电加热装置的打开或者关闭及其计算出气体的流速，而通过流量传感器反馈的信号来控制直流电机的转速及其开关；从流量传感器流出的气体通过三通电磁阀2进入反应气室与气体反应，反应过后通过管道回流，以达到重复利用的目的；当抽出的气体达到一定的反应量后，通过反馈给MCU一个中断信号关闭三通电磁阀1与气囊连接的通道，打开反馈通道，即使每次采样参与反应的气体都是恒定的量，继续运用流量传感器进行流量测量，当流入反应气室的总量达到一定的量时，通过反馈给MCU处理器的一个信号，关闭直流电机、电加热装置、数字温度传感器、湿度传感器及其流量传感器，停止向反应容器中充气，同时，打开照明装置进行照明，MCU通过串口或者USB接口发送命令给嵌入式开发板通知反应完毕，经过一段时间延时，待光照稳定后，打开摄像头装置，进行拍照(拍照的大小及其帧率视具体情况而定)；图像数据通过USB总线传至数据缓冲区中；图像数据采集完毕后，由嵌入式开发板对反应前和反应后的图像进行预处理，包括图像适当的剪切、图像的二值化、阈值分割、白平衡、试样点阵像素提取、模板标准化及其反应前后标准模板差图，将差值图像与专家病变数据库进行对比，最后通过液晶屏或者是微型打印机打印出检测的结果，同时将反应前后图像及其差值图像存储在CF卡中供分析处理，或者通过无线MODEM通过GPRS/CDMA网络发送到远程数据库终端供专业医务人员进行分析处理。

本发明装置的主要核心模块为嵌入式开发板(PC104)，该开发装置可以内嵌入Windows操作系统，主要是完成整个系统的控制、管理、图像数据的存储以及图像处理算法的实现。嵌入式开发板的输出通过串口或者USB口经单片机系统(MCU)，再与电磁阀驱动模块、气泵驱动模块、电加热模块、温度采集模块、湿度采集模块、微型打印机模块、流量采集模块及其可控照明装置进行电连接。

本发明装置的单片机系统(MCU)主要完成系统的辅助控制，通过接收嵌入式开发板的命令打开关闭可控照明装置，以及控制反应气路中电磁阀模块、气泵模块、电加热装置、微型打印机模块、温度采集模块、湿度采集模块以及流量采集模块等的工作状态。

本发明装置的光学系统主要完成光学信号的增强，便于CCD图像传感器采集到合适的图像，主要包括光学镜头、摄像头及其安装、连接附件等。

本发明装置所采用的图像传感器主要完成图像信号的采集，最终获得图像数据。在本发明装置中采用的是CCD图像传感器，CCD图像传感器成像质量高、灵敏度高、图像色彩分辨率好等优点，由于本装置对图像的色彩及其质量有较高要求，所以采用的CCD图像传感器；图像传感器通过USB口与嵌入式开发板相连，由嵌入式开发板通过USB口发送命令采集图像。

本发明装置所采用的LCD触摸屏，用于发送控制系统的控制指令、调节系统工作参数显示采样前后的图像以及测量结果等，该LCD触摸屏通过VGA接口和USB接口与嵌入式开发板相连。

本发明装置所采用的微型打印机为热敏打印机，通过串口或者并行数据总线与单片机系统(MCU)相连，用于打印最后测量分析的结果。

本发明装置所采用的存储介质为CF卡，用于存储Windows操作系统、反应前后的图像、差值图像以及测量结果。

本发明装置所采用的无线模块为GPRS模块，与远程数据终端相连，用于发送差值图像和最后的测量结果，用于供远方的专业医务人员分析处理。

本发明装置的可控照明装置主要是提供本装置在反应气室采集反应前后的图像，类似照相时的闪光灯，在嵌入式开发板的协调下与图像传感器同步工作，本发明装置的系统可以根据图像的要求采用不同的强度照射图像，可控照明装置的照射强度是可以调整的，主要通过控制照明电路的电流大小和光源的多少来完成。

本发明装置采用电磁阀主要控制该系统反应气路的通断及其气体在气路和反应气室的流向。

本发明装置中气泵模块主要作用是将气囊中采集到的患者气体抽进反应气室，使气体能在反应气室中与预先的卟啉传感器反应。通过调节单片机系统(MCU)调节PWM脉冲高电平的宽度，控制电机的转速，进而控制气泵的抽气速度。

本发明装置的电加热装置主要完成对该系统中气流温度的控制。通过MCU控制电加热装置的开闭完成对温度的控制。

本发明装置的温度采集模块主要完成对气流温度的采集，通过单片机系统控制数字温度传感器(DS18B20)对该装置中气流温度的采集，用以确定气流的温度是否是传感器与气体反应的最佳温度，从而通过单片机系统(MCU)控制电加热装置的开闭完成对温度的控制。

本发明装置中流量采集和湿度采集，主要是通过流量传感器测量气流的流速和湿度传感器测量气流的湿度，反馈给单片机一个信号完成流速和湿度的自适应控制。通过对流量传感器的输出信号进行积分得到反应的总流量，当总流量达到一定时(如500ML~2L)反应完毕，从而关闭气泵停止抽气，打开照明装置和摄像头进行拍照。

本发明装置中图像处理算法主要内容是通过图像处理获取反映前后各卟啉点阵的颜色变化差值，并将差值作为可视化图片显示；

图像处理流程如下：

1)读取bmp格式图像，获取卟啉点阵图。

2)为减小图像处理的误差，首先要对该图像进行剪切，提取图像中卟啉点阵的有效范围作为图像处理对象。

3)将卟啉点阵图像二值化，获取每个图像点阵的区域。

4)为了保证图像色彩的准确性，对图像每个点阵区域分别进行白平衡校正。

5)分别求出图像中每个点阵区域的重心，提取以重心为圆心，r为半径的圆形范围内点阵的像素平均值。其中半径r是经实验得出的有效像素范围半径值。

6)以获取的像素平均值作为每个点阵的像素值，形成一个点阵的像素矩阵，如卟啉传感器点阵为3×3的点阵，就可以获得一个3×3的像素矩阵。

7)将反应前后的卟啉传感器图像的像素点阵进行差值比较，获得一个卟啉点阵差值的像素矩阵。

8)将获得的差值像素填充到标准的卟啉点阵模板上显示。

本肺癌诊断的便携式装置的使用方法：由气囊采集疑似肺癌患者的呼出气体，与预先设计好的卟啉传感器阵列在反应气室里(检测肺癌标志物的传感器阵列，如果有肺癌标志物反应前后传感器阵列的颜色将出现变化，属于现有技术)反应，通过控制系统控制图像采集和处理系统实现图像反应前和反应后的采集，并进行对照，对采集到的图像进行预处理，得出反应前与反应后的差值图像，进而与专家病变数据库中的数据进行对比，获得检测结果，最后通过液晶屏或者微型打印机将检测结果显示出来，从而判断患者是否患有肺癌。

Claims (7)

1、一种肺癌诊断的便携式装置，其特征在于，它具有气囊、气泵、缓冲气室、反应气室、图像采集和处理系统及控制系统；气囊、气泵、缓冲气室、流量传感器和反应气室通过电磁阀依次串联；缓冲气室内设有湿度传感器、温度传感器和电加热装置；反应气室内设有卟啉传感器；控制系统包括嵌入式开发板PC104模块、MCU单片机、LCD触摸屏、GPRS模块、电磁阀驱动模块、气泵驱动模块、电加热模块、温度采集模块、湿度采集模块、微型打印机模块、流量采集模块和可控照明装置；

缓冲气室：对气囊采集到的患者气体进行缓冲，使气体的流速均匀，受热均匀，从而起到恒流恒温的作用；

电磁阀驱动模块：控制电磁阀的开闭，控制反应气路的通断，以及气体在气路和反应气室的流向；

气泵驱动模块：将气囊采集到的患者气体抽进反应气室，使气体能在反应气室中与预先的卟啉传感器反应；通过调节单片机系统(MCU)调节PWM脉冲高电平的宽度，控制电机的转速，进而控制气泵的抽气速度；

温度采集模块：采集反应气室的气流温度，通过单片机系统控制数字温度传感器DS18B20对该装置中气流温度的采集，用以确定气流的温度是否是卟啉传感器与气体反应的最佳温度，从而通过单片机系统MCU控制电加热装置的开闭；

电加热模块：通过MCU控制电加热器的开闭，完成对温度的控制；

流量传感模块和湿度传感模块：通过流量传感器和湿度传感器测量气流的流速和气流的湿度，反馈给单片机一个信号完成流速和湿度的自适应控制；通过对流量传感器的输出信号对时间进行积分得到反应的总流量；

图像采集和处理系统：包括光学镜头、摄像头和图像传感器，图像传感器采集图像，获得图像数据；

嵌入式开发板PC104模块：该模块内嵌入Windows操作系统，完成整个系统的控制、管理、图像数据的存储以及图像处理算法的实现；嵌入式开发板的输出通过串口或者USB口经单片机系统MCU，再与电磁阀驱动模块、气泵驱动模块、电加热模块、温度采集模块、湿度采集模块、微型打印机模块、流量采集模块及其可控照明装置进行电连接；

MCU单片机：完成系统的辅助控制，通过接收嵌入式开发板PC104模块的命令打开关闭可控照明装置，以及控制反应气路中电磁阀驱动模块、气泵驱动模块、电加热装置、温度采集模块、湿度采集模块、微型打印机模块、流量采集模块及其可控照明装置的工作状态；

LCD触摸屏：用于发送控制系统的控制指令、调节系统工作参数，显示采样前后的图像以及测量结果，该LCD触摸屏通过VGA接口和USB接口与嵌入式开发板PC104模块相连；

存储介质CF卡：用于存储Windows操作系统、反应前后的图像、差值图像以及测量结果；

可控照明装置：提供本装置在反应气室采集反应前后的图像所需要的光源，在嵌入式开发板的协调下与图像传感器同步工作。

2、根据权利要求1所述的肺癌诊断的便携式装置，其特征在于，所述嵌入式开发板通过USB接口或者串口与单片机系统MCU装置电连接，通过USB接口与图像传感器装置电连接，通过VGA和USB接口与触摸屏进行电连接，通过CF卡插座与CF卡进行电连接，通过串口与GPRS模块进行电连接。

3、根据权利要求1所述的肺癌诊断的便携式装置，其特征在于，所述图像传感器为CCD图像传感器，通过USB口与嵌入式开发板相连，由嵌入式开发板通过USB口发送命令采集图像。

4、根据权利要求1所述的肺癌诊断的便携式装置，其特征在于，所述摄像头为USB摄像头，通过USB接口与嵌入式开发板相连。

5、根据权利要求1所述的肺癌诊断的便携式装置，其特征在于，所述控制系统中包括GPRS模块，与远程数据终端相连，用于发送差值图像和最后的测量结果，供远方的专业医务人员分析处理。

6、根据权利要求1所述的肺癌诊断的便携式装置，其特征在于，所述单片机上连接有一个微型打印机。

7、根据权利要求6所述的肺癌诊断的便携式装置，其特征在于，所述的微型打印机为热敏打印机，通过串口或者并行数据总线与单片机系统MCU相连，用于打印最后测量分析的结果。

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