CN1045519A - 软组织检测成象方法及其装置 - Google Patents

Abstract

使用非电离辐射源的，高分辨率的软组织检测成象方法及其装置，用宽光谱可见和近红外漫射光照射软组织，光源头与有刻度的检测压板配合进行移动式检测，CCD摄象机与漫射光出射面成角度放置，通过适当的滤光片摄取软组织图象，信号送入计算机处理，求出病变部位与正常组织的密度差值，并计算直径、投影面积和体积，供医生定量地判断病变情况。可灵活调节光源亮度，随时定帧、存贮图象，减轻受检者不舒服感，诊断方便、迅速，准确率高。

Description

本发明涉及医学诊断方法和仪器，特别涉及使用宽光谱带非电离辐射源的高分辨率的软组织检测成象方法及其装置，它用宽光谱带光源发射的可见光和近红外光照射软组织，CCD接收器接收透过软组织的光，并将CCD接收器输出的电信号输入计算机处理系统，进行图象处理，以定量的方法判断软组织的病变情况。

美国专利US4，649，275公开了一种使用窄光谱带非电离辐射源的乳房成象装置。它使用窄光谱带，小空间尺度的平行光束照射用两块平板压紧的乳房，光探测器在另一侧对准并接收该平行光束，然后对电信号进行处理。由于需用两块平行压板压紧乳房，使操作不方便，受检者感觉不舒服，也难于检查病变多发区的乳房根部。由于不能进行移动式检查，所以无法判断病变的游离性，也容易对重叠的病变区域误诊。特别是由于使用窄光谱带、小空间尺度的平行光束，不能在同一时间进行大面积照射，使图象的空间层次少，不易进行对比分析，而且探测器易于饱和，灰度层次差，不利于用计算机进行处理，分析和判断。

现有技术中的另一种方法使用宽光谱带大光束的平行光照射乳房，用摄象机接收透过乳房的光，然后对信号进行显示、处理或分析。在这种方法中，光探测器放在被检测乳房的另一侧，与光源相对，平行光透过被检测的乳房直接照射到光探测器上，使光探测器易于饱和，图象灰度层次差。由于各种组织成分对宽光谱光束中各种波长的光吸收不同，使得用这种方法区分各种软组织的类型的能力差，而进入光探测器的散射光则降低了图象的空间分辨率。用这种方法检测到的病变大小不小于用手触诊到的病变大小。

本发明人经过认真的研究和大量的实验、分析，用宽光谱带的非电离辐射源发出的可见光和近红外光通过光学漫射片之后形成有较大出射面积的漫射光，用这种漫射光照射软组织，光在软组织内被吸收、折射、反射和散射，使软组织被均匀照亮。在软组织侧面并与光源出射面的法线成一定角度的位置用CCD接收器接收通过软组织透射出的光，从而形成软组织的观测图象。本发明人发现这样得到的图象层次丰富，成象质量好，CCD接收器不易饱和，有利于计算机对图象进行处理、分析，并且可以与正常的软组织进行比较，求出病变部位与正常组织的相对密度差值，帮助医生定量地判断病变情况。

本发明的目的在于提供一种克服了现有技术缺点、高分辨率的软组织检测成象方法及其装置。本发明的方法采用宽光谱带漫射光照射软组织，将CCD接收器与光源成角度地放置，得到密度层次丰富的被检测软组织的图象，通过与同一图象上的正常软组织比较，计算出相对密度差值，帮助医生定量地判断病变情况。本发明的装置包括一个体积小、重量轻的光源头、一个加有截止滤光片的CCD接收器和一个计算机处理系统。光源头便于操作者持握和操作，它发射漫射光，并与一个检测压板相配合，清晰地照亮被检测的软组织。压板上有刻度，使之和被检部位一起被摄入CCD接收器，计算机系统可根据该刻度精确地计算出病变部位的实际直径、投影面积和体积，并且确定其位置。CCD接收器通过截止滤光片接收被照亮的软组织的影象，并将信号送入计算机处理系统进行处理、分析，对图象被怀疑部分和正常部分进行比较，然后计算出相对密度差值。

具体地说，本发明的方法采用宽光谱带的非电离辐射源，它发射可见光和近红外光，并经过光学漫射片形成较大面积的漫射光。用这种宽光谱带的漫射光照射软组织，例如乳房。为了使被照射的乳房厚度均匀，使用一块检测压板压住乳房的被检测部分。这时乳房被宽光谱带的漫射光均匀地照亮，用CCD接收器接收通过乳房透射出的光。CCD接收器的纵轴与光源出射面的法线成一定角度，一般在50°～110°之间，90°最好，检测压板所在的平面基本上垂直于CCD接收器的纵轴，这就好比从侧面观察被光线照亮的灰尘，能够更清楚地辨别灰尘的状态（丁达尔现象）一样。根据受检者的不同情况移动光源，从不同方向照射乳房，以观察软组织重叠部分的细致情况和被检测部位的游离性。为了对不同类型的乳房（如脂肪多的和脂肪少的，乳腺大的和乳腺小的，等等）都能得到清晰的图象，在CCD接收器前设置了一组可选择的截止滤光片，其截止波长分别为550nm，650nm和700nm。使进入CCD接收器的光通过不同的截止滤光片，转变成电信号，再输入到计算机处理系统。在受检者乳腺较小，脂肪较少的情况，选用透过波长λ＞700nm的滤光片;在受检者乳腺较大，脂肪较多的情况，选用透过波长λ＞550nm的滤光片。因为脂肪对红外光的吸收率与组织液等水份对红外光的吸收率不同，让红黄色可见光进入CCD接收器可以增加光通量，提高采集图象的信噪比，以适应不同受检者的情况。计算机处理系统对观察到的图象进行处理，清晰地显示在显示屏上，并将病变部位的密度与同一图象的正常软组织的密度进行比较，求出相对密度差值，供操作者定量地判断被检测的软组织的病变情况。

本发明装置的光源头包括光源、反光碗、光学漫射片、遮光罩，排风机和密封隔热罩。为了便于操作者持握和操作该光源头，方便且灵活地与检测压板配合，以进行移动式检查，同时减轻受检者的不舒服感觉，必须减小光源头的体积和重量，增强散热效果，减少照射到受检者软组织上的远红外光的强度。光源灯头后面的抛物面形的反光碗将光源发出的光向前反射成平行光。在反光碗内表面镀上一层反光膜。反光碗上开有导流孔。一方面，有一部分光通过导流孔向后射出，不到达受检者的软组织;另一方面，反光碗后部的排风机可以使光源头中的空气通过导流孔流动，而不必绕过反光碗边缘的外部流动（这时必须加大光源头的直径，以便在反光碗边缘与遮光筒之间留有空隙），这样既增强了散热效果，又减小了光源头的直径，也就是减小了光源头的体积和重量。在光源前部的遮光罩上冲制了导流槽，可以使流动的空气通过，也减小了光源头的体积和重量，同时增强了散热效果。

为了使操作者在检测过程中发现所需图象时，能够及时定帧和存贮该图象，在光源头上装有定帧装置。它与计算机处理系统相连，可以控制计算机的定帧，随时将观察到的图象定帧和存贮，减少了反复检查和寻找所需图象的时间。

对于不同类型的乳房，需要光源发出不同光强的光，以便得到清晰的图象，为此在光源头上装有调节光强度的装置，分8级调节光源。

本发明装置的计算机处理系统的操作采用菜单方式，操作者可以方便迅速地选择所需功能。另外，该计算机系统具有语音系统，可以根据选出的功能给出语音提示，以减少误操作，还可以用来训练初学者。

采用本发明的软组织检测成象方法和装置，由于使用漫射光照射，CCD接收器不易饱和，可以大面积照射被检测部位，结合使用相应的滤光片，有效地提高了信噪比，有利于计算机对图象进行处理、分析，特别是得到图象空间密度的丰富层次，使得能够计算同一图象上正常组织与病变部位的相对密度差值，帮忙医生定量地判断病变情况，提高了诊断准确率。由于光源头体积小，重量轻，散热效果好，使操作者易于持握和操作，可以很方便地从不同方向照射被检测部位，进行移动式检查，所以不仅可以检查一般仪器难于检查的乳房根部，而且可以判断被检测部位的游离性，以帮助判断肿瘤的性质，还可以避免对重叠的病变部位漏诊或误诊。特别是，本检测成象方法及其装置，可以检测到手触诊所检测不到的很小区域的病变，达到了早期诊断乳房疾患的水平。又由于在检测时，可以随时根据需要调节光源光强和及时进行图象定帧控制，所以可以迅速获得操作者满意的图象，并能及时捕捉和存贮该图象，这就大大减小了检测时间，做到成象清晰，诊断准确。采用本发明的方法和装置，不需要象现有技术那样用压紧平板压扁乳房，既减轻了受检者的不舒适感，又使检测过程简单、方便，受检者易于接受。

下面根据附图结合实施例进一步详细叙述本发明，其中

图1是本发明装置的方框图;

图2是本发明装置的光源的示意图;

图3是本发明光源头中反光碗的示意图，图3A是展开示意图，图3B是成形图;

图4是本发明光源头中遮光罩的示意图;

图5是本发明检测压板的示意图;

图6是本发明截止滤光片的透过波长曲线;

图7是本发明CCD接收器阵列的光谱响应曲线;

图8是本发明光源与CCD接收器放置方法及相互位置的示意图;

图9表示本发明计算机处理系统计算出的密度差值与软组织病变情况的对应关系;

图10是本发明计算机处理系统功能操作的菜单方式程序框图。

图中相同的编号表示同样的内容。

图1是本发明装置的方框图。9是宽光谱带非电离辐射光源，光源发出的光通过光学漫射片1照射到被检测的软组织19。压板17压在被检测部位上，使被检测部位的影像清楚地成象在CCD接收器22的探头上，中间放置滤光片23。一般情况下，CCD接收器距离被检测部位大约1米。30是计算机处理系统。CCD22产生的信号经过三块图象处理板24送入计算机主机26，经过计算机主机26处理后的信号送入图象存贮系统28和图象打印机27。由图象处理板24处理后的信号经过数/模转换器送入彩色监视器25。29是CCD的增益控制器。

图2是本发明装置的光源头的示意图。1是漫射片，即漫射光出射口，2是密封隔热筒，3是隔热透光光学玻璃片，4是遮光罩，5是反光碗，6是定帧控制按钮，7和8分别是光强控制增、减按钮，9是灯头，10是支架，11是轴流风机，12是电缆接头，13是进风孔，14是散热器。

图3是本发明光源头中反光碗5的示意图。15是导流孔。孔的总面积占反光碗总面积的15%～30%，最好是25%，并且在反光碗中心16mm直径内没有导流孔。

图4是本发明光源头中遮光罩4的示意图。16是导流槽，遮光罩上有黑色涂料。

图5是本发明的检测压板17的示意图。它用厚为2mm的透明有机玻璃制成。18是刻在压板上的标尺刻度。

图6是本发明的截止滤光片的透过波长曲线。其中红外片的截止波长为700nm，红片的截止波长为650nm，黄片的截止波长为550nm。这三种滤光片均为截止型的光学滤光片。图上横轴为波长，纵轴为透过率。

图7是本发明CCD接收器阵列的光谱响应曲线，图上横轴是波长，纵轴为响应率。

图8是本发明光源与CCD接收器放置方法及相互位置的示意图。宽光谱带光束照到漫射片1上变成漫射光，20是漫射光出射面的法线方向。17是检测压板，其所在平面与光的出射平面垂直。通过滤光片23，CCD接收器22采集软组织19的图象，其采集的方向是21。采集方向21与方向20之间的角度θ为50°～110°之间，最佳为90°。

图9表示本发明计算机处理系统计算出的密度差值与软组织病变情况的对应关系，其座标轴为密度差值，不同的病变情况具有不同的密度差分布。图中重叠部份表示的不同病变可以用各自的成象特征区分开。虚线表示密度差基本达不到的值或无意义。

根据我们进行的病历分析，归纳、分类得到的结果如图9所示。病变部位平均密度差值在10～35，且有规则边界的，可诊断为乳腺增生症。例如：一例病人左乳有圆形病灶，密度差值为10，其它特征无，诊断为增生，穿刺后病理证实。一般良性纤维瘤的密度差值在20～40之间，而良性脂肪瘤的密度差稍大一些，在35～47间，其它特征是具有规则边界和伴随血管影。例如：一例病人在特征符合情况下，密度差值为45，诊断为良性脂肪瘤，手术后病理证实。乳腺癌的密度差值一般在33～85，大量的集中于50～60之间。有一例病人在月经期，属特殊情况，其密度差值为92，由于月经期充血，得出的差值需修正，减10后为82，根据病灶的可游离性，排除水肿，诊断为乳腺癌，手术病理证实。另一病例密度差为63～67，其它特征相符，诊断为癌，手术病理证实。

由于水对近红外光的吸收比血液强，所以表现出的密度差值要比血液小。一般囊性水肿的密度差值为72～115之间，大量的是在90～100附近。而血肿和内出血的密度差在105～165之间，而且这两种病情在其它特征上也不完全相同。血肿和内出血常有伴随血管影。一例病人病灶密度差值为133，诊断为血肿，经过药物和按摩综合治疗后，病灶消失。对于有坏死或淤血的情况，其密度差更大，在150～230之间，并有尖锐边界，这种病例较少见。

浸润感染的密度值较小，一般在5～15之间，而且边界不清楚。例如：一例病人有面积较大，密度差较小的病灶部位，密度差为5～9，诊断为浸润感染，服药治疗后痊愈。

导管扩张症其密度差值与乳腺癌近似，为30～65。但有外形上的明显特征，有一例病人为线形病灶，密度差为32，确认为导管扩张症，手术病理证实。

关于其它乳腺疾病都有其密度差范围，并伴有各种特征，我们根据这些数据和特征，就可以诊断出乳腺的各种疾病，特别是乳腺肿瘤。用这种方法检测和诊断，其敏感度为96%、特异度为97%，假阳性和假阴性分别为4%和3%。

图10是本发明计算机处理系统功能操作的菜单程序框图。起始菜单主要做图象的采集定帧和传送，同时也起系统初始化作用。主菜单的作用是管理各功能子菜单。放大子菜单的功能是对图象进行几何处理，如放大，缩小等。伪彩色子菜单的主要功能是给图象加上伪彩色和进行密度值、密度差值、窗口密度统计等。字符叠加是为打印和存贮文字信息而设。增强子菜单的主要功能是对图象进行各种增强处理，增加图象的可分辨度，提取图象中的有用信息。计算子菜单的作用是对病变部位进行直径、投影面积和体积计算，对病变部位定位，以及进行图象的特殊处理。存取子菜单是将数字化的图象进行存取标注和分类管理等操作。服务菜单是任何一级菜单均可调用的，是管理整个系统的功能菜单，可进行常用功能的调用。在某些子菜单下还有功能子菜单，它们是某种功能的扩展。

实例一：

在乳腺疾病普查中，受检者陈××，46岁，自述无任何症状，无压迫痛感，手触诊无异常。在使用本项发明的检测成象方法及装置检查时，对受检者的中等大小乳腺，采用第6级光源强度，红片滤光片，发现左乳乳头左侧有一个小阴影。使用压板并改变体位，看到病灶具有游离性，不易观察。将光源漫射方向与摄象机摄入方向约成90度，调节CCD接收器的增益，用压板压住后，使用定帧功能捕捉到阴影部份。计算其密度差为42～45，根据其它特征，诊断为左乳早期乳腺癌，右乳正常，整个诊断过程不到4分钟。建议患者立即手术治疗，手术后病理切片证实为早期癌变。癌变部位的体积只有黄豆大小，且为恶性，检查十余个淋巴结均未见到转移。手术根治后效果良好。

实例二：

新加坡体育副教授叶××，48岁，自述双侧乳腺周期性隐痛，当地医院常规检查无异常。其乳腺属大型腺体，质密。用本系统检查时，采用正对体位，滤光片换用黄片，光源强度开至6级，压板正面压迫，发现血管影附近有团块阴影。光源强度提高到7级，团块阴影明显，定帧后经计算机图象处理，其密度差为15～19，经特征分析，排除浸润感染，诊断为乳腺小叶增生病。另一侧乳腺检查结果相同。整个诊断过程为2分钟左右。建议药物治疗，一月后不适症状消失。

实例三：

王××，年龄39岁，自述右乳有过二次隐痛。手触诊有一个小圆形柔软团块，其乳腺属中型偏小，光源强度使用5级，采用红外滤光片，侧对体位。漫射光从右乳头下方射入，摄象机从右乳右侧摄像。在压板压住乳腺靠近根部时，发现一个圆形阴影，阴影边缘比较尖锐，定帧处理后，测得其密度差为31～33，并测出其最大直径为1.4cm，投影面积为1.6cm²。诊断为瘤。分析其特征和密度差认为有恶性倾向，但不明显，建议一个月后复查。随后，病员在医院接受过X光检查，诊断为一般性小叶增生病，但不排除肿瘤的可能性。用本系统复查时，仍采用红外滤光片，光源强度为5级，采集图像后，测其密度差增大到42～43，最大直径为1.7cm，投影面积为2.4cm²，且有游离性倾向。根据其它特征综合诊断为乳腺癌。建议手术治疗，手术病理切片证实为癌。

实例四：

宋××，34岁，自述左乳有一小硬块，但有时模不到，手触诊无异常。其乳腺属中型质密型，选用红片滤光片，光源强度调至5级，用压板压住乳头上方，漫射光从乳腺左侧横向射入，发现有一个硬币大小的不规则黑影。增加光源强度至6级，不规则黑影更加清晰可见。定帧后经计算处理，测得密度差为92～95，由于黑影周围有清晰的伴随血管影，诊断为血肿。因为血肿有时会有少量自吸收，因而有时会模不到硬块。整个诊断过程约3分钟。病人穿刺后证实为血肿。辅以药物治疗后，再经检查正常，黑影消失。

Claims (14)

1、一种使用非电离辐射源的、高分辨率的、软组织检测成象方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)使宽光谱带的可见光和近红外光通过光学漫射片形成较大面积的漫射光，

(2)用上述漫射光照射被检测对象的软组织，并且在软组织的另一侧使用一个带刻度的检测压板，

(3)使透过软组织的光通过透过波长分别大于550nm、650nm和700nm的滤光片中的至少一片，

(4)使透过滤光片的光进入CCD接收器成象，CCD接收器的纵轴与所述漫射光出射面的法线成一定角度。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括下述步骤：

用一个检测压板压住被检测对象的软组织，使被照射的软组织的透光部分厚度均匀，并且压板所在平面垂直于CCD接收器的纵轴。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于CCD接收器纵轴与所述漫射光出射面的法线之间的夹角为50°～110°，最好为90°。

4、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于还包括下述步骤：

（1）将CCD摄象机接收器所摄取的软组织图象送入计算机处理系统，

（2）计算机处理系统对所述图象进行处理、分析，计算病变部位与正常软组织之间的相对密度差值以及病变部位的投影面积，供医生定量地判断软组织的病变情况。

5、一种使用非电离辐射源的高分辨率的软组织检测成象装置，包括一个光源，一个CCD接收器和一个计算机处理系统，其特征在于：

（1）光源是发射可见光和近红外光的宽光谱带光源，

（2）在光源和被检测的软组织之间设置有光学漫射片，

（3）在被检测的软组织和CCD接收器之间，设置有可选择的截止滤光片，可以分别透过波长大于550nm、大于650nm，以及大于700nm的光，

（4）所述CCD接收器的纵轴与所述漫射片的法线成一定角度。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于该装置还有一个带刻度的透光检测压板，用来压住被检测的软组织，使其透光部分厚度均匀，并且压板所在平面垂直于CCD接收器的纵轴。

7、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述CCD接收器纵轴和所述光源出射面的法线之间的夹角在50°～110°之间，最佳为90°。

8、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述计算机处理系统有三块图象处理专用板，用来对CCD接收器输入的信号进行处理，并计算病变部位与正常软组织之间的相对密度差值和病变部位的投影面积。

9、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述光源装在一个光源头中，该光源头包括光源、反光碗、光学漫射片、遮光罩、排风机和密封隔热筒。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述光源头上有一个定帧装置，使操作者可以随时将观察到的图象定帧，及时、方便地捕捉和存贮所需信息。

11、根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述光源头上有调节光源强度的装置，用来根据检测需要调节光源的强度。

12、根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述反光碗是带有导流孔的抛物面，所述遮光罩上带有冲制的导流槽。

13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于所述反光碗的导流孔是长圆形条孔，孔的总面积占反光碗总面积的15%至30%，最佳为25%，并且在反光碗中心16mm直径内没有导流孔。

14、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述计算机处理系统的功能操作采用菜单结构配合语音提示系统的方式，用来提示操作者。

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