CN104490364A - 一种用于检测前列腺柔韧度的光纤手指及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测前列腺柔韧度的光纤手指及检测方法，包括：激光光源、正弦激发波、用于接触前列腺的医用塑料膜片、用于感知膜片振动的单模传感光纤、经过抛光工艺处理的45°端面角传感单模光纤、用于连接单模传感光纤和光电探测器的光纤连接器、用于检测组织韧度信息的光电探测器。本发明针对前列腺直接检测的技术要求，设计低成本可深入体内的光纤手指，对前列腺病变进行诊断，传感器尺寸小于5mm，大大减少了由此给病人带来的痛苦。同时，可以检测较小不易发现的病变组织，提高了早期发现异常组织的几率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测前列腺柔韧度的光纤手指及检测方法，利用光纤干涉原理，通过检测塑料膜片和光纤的相对位置变化，同时反映有关前列腺表面形貌和韧度的信息的仪器。可以为有关前列腺病变，前列腺癌变前期提供诊断依据，有效的预防前列腺病变的进一步发展。
背景技术
在现代社会人们越来越重视健康保健。个人保健医疗行业的发展速度正逐年递增。作为国际上男性病高发的。
国际上目前主要有三种检测方式：前列腺活体切片检查技术，前列腺特异抗原(PSA)检测和数字直肠检查。前列腺活体切片检查一般需要通过肛门或会阴部穿刺的方法来获得一定量的前列腺组织，穿刺时，通过穿刺针刺入前列腺腺体内，吸取前列腺组织做病理化验。病人的痛苦大，而且穿刺有可能造成炎症扩散、肿瘤转移，从而加重病情的发展。穿刺本身也是一种外科操作技术，它需要操作者有熟练的技术和良好的素质。穿刺本身是一种有损伤的探查，它可能会造成出血、感染、直肠瘘等并发症。所以，在临床上除非有高度的适应条件和必要性，因此一般仅适用于高度怀疑癌变的检查。前列腺抗体检查需要对病人经行抽血，对病人有很大的痛苦，实施方式复杂。前列腺特异抗原(Prostate Specific Antigen，PSA)检测是通过采用抽血化验血液中PSA含量，完成对前列腺病变情况检测的手段，是临床常规用于前列腺良性与恶性疾病诊断与鉴别诊断及前列腺癌患者术后随访的重要指标。该方法的缺点是只有在病灶发展到中期以后才具有较高的准确度。
数字直肠检测技术可以对前列腺的大小，形状，硬度，有无结节，压痛，有波动和中间槽等进行检查。它的准确性受到检测人员的相关经验关系影响很大。直肠超声检查(Transrectal ultrasonography，TRUS)，可以帮助医生进行前列腺系统的穿刺活检。在TRUS引导下在前列腺以及周围组织结构寻找可疑病灶，并能初步判断肿瘤的体积大小。但TRUS在前列腺癌诊断特异性方面较低。同时，探头尺寸一般比较大，一定程度上增加了病人的痛苦。TRUS的另一个缺点是可探测的病变组织大小有限。如果希望对尺寸更小的肿瘤进行诊断，就需要提高探针的空间分辨率，而这经常受制于超生探头的尺寸制约。
上述文章和专利皆是基于电子传感系统，检测部分体积大，不能精确的定位病变位置，同时人体遭受电磁辐射噪声，不适用于对前列腺进行实际接触检测，应用性差。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于检测前列腺柔韧度的光纤手指及检测方法，对前列腺病变进行诊断，传感器尺寸小于5mm，大大减少了由此给病人带来的痛苦。同时，可以检测较小不易发现的病变组织，提高了早期发现异常组织的几率。
本发明技术解决方案：一种用于检测前列腺柔韧度的光纤手指，包括：
激光光源；
正弦激发波；
用于接触前列腺的医用塑料膜片；
用于感知膜片振动的单模传感光纤；
经过抛光工艺处理的45°端面角传感单模光纤；
用于连接单模传感光纤和光电探测器的光纤连接器；
用于检测组织韧度信息的光电探测器；
在正弦波作用下膜片产生振动；
45°端面角传感单模光纤端面和塑料膜片构成光学法布里-珀罗腔；
膜片振动时，由光电探测器检测法布里-珀罗腔的腔长变化；
当膜片和待测组织接触时，光电探测器检测到的振动信号振幅和相位发生变化。
所述激光光源是连续稳定输出的单频相干激光光源。
所述膜片在正弦波激发下产生振动，产生膜片和传感光纤的位置变化，进而引起干涉并由激光器对之进行探测。
在正弦波激励下，膜片的表面起伏能够反应被检测前列腺组织的韧度。
所述膜片采用激光脉冲进行加工，激光脉冲宽度为10ns，重复频率40kHz。
所述膜片的形状为圆形。
所述膜片采用选用耐腐蚀，生化兼容的高分子聚合物材料构成，采用胶粘方式连接膜片和45°端面角传感单模光纤。
所述45°端面角传感单模光纤采用机械抛光的工艺方式，加工制成45度角光纤；光纤端头和膜片构成法布里-珀罗腔，当膜片振动时，法布里-珀罗干涉仪的腔长发生变化，采用激光探测该位移变化，即可知道膜片的振动情况。
利用上述光子手指用于前列腺检测的方法，包括以下步骤：
(1)外加固定频率(一般为20Hz)的正弦波，使膜片按正弦规律振动；
(2)通过激光干涉的原理检测膜片实时的振动情况；
(3)通过45°角光纤探测膜片和组织接触前后的反射波的变化，反演组织的柔韧性；
(4)通过测量光子手指接触样本前后激励正弦波和反射正弦波幅值变化和相位变化对待测样本的柔韧度进行分类；
经过先进模式识别和专家系统算法对待检测组织的病变情况做诊断，采用反射回波接触待测组织的幅值比和相位变化的正切两个特征参量评价组织的柔韧性，幅值比小，同时相位正切值小的组织归类为正常组织；反之，幅值比大，同时相位正切值较大的组织归类为有异常有病变组织。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明不同于以往超声检测前列腺方式，在正弦波激励情况下，采用可调谐半导体激光光源和光电探测器即可对待测前列腺组织的柔韧度进行分析。与基于图像检测的技术相比，可以获得组织内部结构的病变信息，提高了诊断的准确率，同时无需采用昂贵的成像设备，大大降低了成本。
(2)本发明采用普通医用兼容性塑料作为膜片，成本低，方法简单易行。
(3)手指探头更换方便，每次检测无需改变检测设备而只需更换塑料膜片即可，易于推广应用。
(4)探头体积小、重量轻，与传统的直肠直检方式相比减轻病人的痛苦，大大提高了病人的舒适度。
(5)与光纤兼容，连接方便，易于组网，适用于远程监控。
附图说明
图1为本发明的光纤手指系统实现结构图；
图2为前列腺检测光纤手指的探测示意图；
图3为光子手指膜片设计制造过程；
图4光纤手指传感器的长期稳定性测试图；
图5光纤手指动态测试结果图；
图6光纤手指检测病变前列腺组织；
图7光纤手指检测正常前列腺组织；
图8光纤手指检测到正常组织和病变组织的反射回波相位和幅值比的关系。
具体实施方式
在临床上，可以通过这些频率响应的数据，判断前列腺组织的韧度信息，从而为前列腺病变前期提供诊断依据。
光纤手指检测原理及系统按图1所示。11为正弦波激励源，输出频率和幅度一定的正弦波。该正弦波通过导管21对光纤手指内压力进行正弦调制，12为单频激光器，输出固定频率的连续红外激光，该激光通过21传输光纤到达光子手指传感光纤31，并经过膜片将激光反射回探测器32。探测器探测由于正弦波调制导致的膜片和传感光纤的位移改变，通过软件算法解调这一位移。当光纤手指接触前列腺组织时，激发正弦波幅度和相位会有所变化，通过探测幅度和相位的改变量，可以间接评价该组织的健康程度。
本发明原理：用光纤干涉的原理，设计一种膜片式传感器。通过检测膜片碰触到前列腺组织所造成的物理形变引起的膜片位移来判断前列腺组织的柔韧性，从而进一步得到有关前列腺病变的信息的检测方法。45°光纤和膜片的距离yp可用以下公式表达：
E是塑料膜片的杨氏模量，a是圆形膜片的半径h是膜片厚度，n是膜片材料的折射率，μ是材料的泊松系数。
光纤手指检测原理及系统按图1所示进行。11为正弦波激励源，输出频率和幅度一定的正弦波。该正弦波通过导管21对光子手指内压力进行正弦调制，12为单频激光器，输出固定频率的连续红外激光，该激光通过21传输光纤到达光子手指传感光纤31，并经过膜片将激光反射回探测器32。探测器探测由于正弦波调制导致的膜片和传感光纤的位移改变，通过软件算法解调这一位移。当光纤手指接触前列腺组织时，激发正弦波幅度和相位会有所变化，通过探测幅度和相位的改变量，可以间接评价该组织的健康程度。图2是光纤手指的光学探测示意图。可调激光器发出的光经过光纤耦合器分束进入45°传感光纤，并经过膜片反射经探测器接收。本发明提供一种用于前列腺韧度检测设备探头的制造方法，如图3所示：
光纤手指由四层基底材料合成而成。最底层是图3中的1/1，45度角传感光纤通过中间层2/1的V型槽固定。激光通过45度角光纤穿过3/1中的圆孔经顶层膜片反射耦合回进入45度角光纤。顶层4/1中间是一层医用薄膜，厚度约20μm，主要用于和组织接触，感知组织表面起伏。膜片采用超短激光脉冲进行加工，激光脉冲宽度一般为10ns，重复频率40kHz，膜片的形状一般为圆形，可以根据需要在加工时调整为其他形状。膜片一般需选用耐腐蚀，生化兼容的高分子聚合物材料。探测光纤采用机械抛光的工艺方式，加工制成45度角光纤。光纤端头和膜片构成法布里-珀罗腔，当膜片振动时，法布里-珀罗干涉仪的腔长发生变化，采用激光探测该位移变化，即可知道膜片的振动情况。
实施例：
根据本发明的思想，激发源可以采用正弦波发生器，输入稳定的20Hz驱动信号来调制光子手指内膜片的压力，以达到调制膜片位移的目的。单频激光器的输出波长设置在1532nm，用于调制光子手指膜片压力，将之转化成强度信号输出，并用光电二极管探测器接收。图4是经过光电探测器转换解调得到的45度角光纤端面到膜片之间距离变化图。从图中可以看出，静态放置时该距离变化在～μm量级，相对变化小于1.5‰，具有很高的稳定性。图5是光纤手指在不规则动态信号激励下输出的波形。
具体应用时，可按图3所示方案进行。31段传感光纤是一经过45°抛光的单模通信光纤。该光纤被镶嵌在预先加工好的膜片中。膜片的加工过程可参考图2。在将传感光纤固定在膜片中的V型槽后，调整光纤和膜片的角度，直到在光谱仪上可以看到明显的干涉条纹后，固定光纤的位置，并将膜片封装好。封装后需要仔细检查膜片周边，以保证光子手指腔内没有任何泄漏。21段正弦波激励可以通过空气压缩器对光纤手指内的气体压强进行调节。光纤手指长度和宽度均在3-5mm内，应用时可以直接通过肛门插入病人体内。当光纤手指接触到待测组织时，由于健康组织和病变组织具有的韧度特性不同，因此在一定频率激发下的频率响应也不同。图6，7分别是在20Hz正弦波激励下健康组织和病变组织的响应信号。采用20Hz的正弦波作为激励源是因为在这个频段生物体组织具有较好的生物力学响应特性，可以较准确的从回波信号中分析组织的韧度。生物体组织是一个粘弹模型，从图中可以看出，当光纤手指接触正常组织后，幅度会有很大改变，这是由于正常组织中含有的弹性成分较多，响应会跟随组织的形变进行改变。相反如果组织有病变，该区域会比较坚硬，导致组织的形变很小，因此在接触病变组织前后幅值变化不明显。同时接触组织前后回波的相位也会发生相应的变化。通过同时对回波幅值和相位进行分类可以清晰的区分健康组织和有异常的病变组织。图8显示了光纤手指接触到待测组织前后的反射回波幅值比和相位正切的关系。从14组测试结果可以看出，大部分正常组织的反射回波幅值比较低，且相位的正切值较小，表明膜片接触组织前后的相位改变较小。这是因为正常组织的弹性较好，膜片接触组织后亦能较好的反应原激励信号。对于病变组织，由于组织的弹性较差，膜片接触组织后，原激励信号的相位会发生很大变化。由于生物体组织通常可以看成是一个粘弹模型，因此，综合采用光纤手指接触样本组织前后的反射回波幅值比和回波相位正切值比两个特征量来对异常组织进行分类。通过该原理即可综合判断组织是否健康，如图8所示，健康组织测量的结果分布在图左下方，而病变组织分布在图的右上方。
Claims (9)
1.一种用于检测前列腺柔韧度的光纤手指，其特征在于包括：
激光光源；
正弦激发波；
用于接触前列腺的医用塑料膜片；
用于感知膜片振动的单模传感光纤；
经过抛光工艺处理的45°端面角传感单模光纤；
用于连接单模传感光纤和光电探测器的光纤连接器；
用于检测组织韧度信息的光电探测器；
在正弦波作用下膜片产生振动；
45°端面角传感单模光纤端面和塑料膜片构成光学法布里-珀罗腔；
膜片振动时，由光电探测器检测法布里-珀罗腔的腔长变化；
当膜片和待测组织接触时，光电探测器检测到的振动信号振幅和相位发生变化。
2.根据权利要求1所述的光纤手指，其特征在于：所述激光光源是连续稳定输出的单频相干激光光源。
3.根据权利要求1所述的光纤手指，其特征在于：所述膜片在正弦波激发下产生振动，产生膜片和传感光纤的位置变化，进而引起干涉并由激光器对之进行探测。
4.根据权利要求1所述的光纤手指，其特征在于：在正弦波激励下，膜片的表面起伏能够反应被检测前列腺组织的韧度。
5.根据权利要求1所述的光纤手指，其特征在于：所述膜片采用激光脉冲进行加工，激光脉冲宽度为10ns，重复频率40kHz。
6.根据权利要求1所述的光纤手指，其特征在于：所述膜片的形状为圆形。
7.根据权利要求1所述的光纤手指，其特征在于：所述膜片采用选用耐腐蚀，生化兼容的高分子聚合物材料构成，采用胶粘方式连接膜片和45°端面角传感单模光纤。
8.根据权利要求1所述的光纤手指，其特征在于：所述45°端面角传感单模光纤采用机械抛光的工艺方式，加工制成45度角光纤；光纤端头和膜片构成法布里-珀罗腔，当膜片振动时，法布里-珀罗干涉仪的腔长发生变化，采用激光探测该位移变化，即可知道膜片的振动情况。
9.一种将权利要求1所述的光纤手指用于前列腺检测的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)外加固定频率的正弦波，使膜片按正弦规律振动；
(2)通过激光干涉的原理检测膜片实时的振动情况；
(3)通过45°角光纤探测膜片和组织接触前后的反射波的变化，反演组织的柔韧性；
(4)通过测量光纤手指接触样本前后激励正弦波和反射正弦波幅值变化和相位变化对待测样本的柔韧度进行分类；
对待检测组织的病变情况做诊断，采用反射回波接触待测组织的幅值比和相位变化的正切两个特征参量评价组织的柔韧性，幅值比小，同时相位正切值小的组织归类为正常组织；反之，幅值比大，同时相位正切值较大的组织归类为有异常有病变组织。
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