CN107095673B - 一种反射式实时肿瘤成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于肿瘤成像领域，具体涉及一种反射式实时肿瘤成像方法及系统。成像方法包括：调整太赫兹波的极化方向，经四分之一波片转换为圆偏振波后扫描待检组织，将组织反射的信号转换成竖直极化偏振波，再入射至探测器成像。成像系统包括太赫兹源、太赫兹探测器、太赫兹整形单元、极化单元、移动平台和偏振转换单元；本发明可以作为术中实时成像的一种手段，较术中MRI、荧光等技术更具优势，相对于B超技术更有优势；对细胞内生物大分子探测能力，具有潜在的区分肿瘤组织普通病理及分子病理类型的潜力，提供比细胞学特征更加深入和丰富的信息；已有的离体脑肿瘤组织研究结果支持了其临床应用的可能，相对于拉曼光谱，可能更快进入实用阶段。

Description

一种反射式实时肿瘤成像方法及系统

技术领域

本发明属于肿瘤成像领域，具体涉及一种反射式实时肿瘤成像方法及系统。

背景技术

脑胶质瘤是起源于神经胶质细胞的肿瘤，其恶性程度极高，5年病死率在全身肿瘤中仅次于胰腺癌和肺癌，位列第3位。脑胶质瘤的色泽、质地与周围正常脑组织界限并不明显，所以肉眼下肿瘤边界的鉴定非常困难，手术过程中难以掌握切除边界。

脑胶质瘤治疗领域迫切需要一种实时成像的分辨肿瘤边界的技术，太赫兹生物成像特征为解决这个需求提供了技术前景。

常规技术中，如术中MRI、荧光等技术不能快速实时成像；B超技术空间分辨率低；细胞学特征不够深入，对细胞内生物大分子探测能力较差，不具有潜在的区分肿瘤组织普通病理及分子病理类型的潜力；荧光、X线等技术要么有电离辐射、或者需药物注射等特点。本专利发明了一种反射式实时分辨肿瘤边界的太赫兹成像系统。

目前国际上公开发表的太赫兹肿瘤成像方法均是透射成像，需要将肿瘤切割下来，并将样品低温冰冻后切薄片，太赫兹照射切片透射后，再经过探测器接受成像，这种方法不能在手术中实时监测。

发明内容

为了解决常规成像技术在肉眼下肿瘤边界的鉴定困难，手术过程中难以掌握切除边界的问题，本发明提出一种反射式实时肿瘤成像方法及系统，避免了肿瘤取样活检及切片，可以作为术中在体实时成像肿瘤的新方法。

本发明的技术解决方案是：

一种反射式实时肿瘤成像方法，包括以下步骤：

步骤1：对整形为平行光斑形状的太赫兹波进行极化处理；所述极化处理包括以下步骤：

a)太赫兹波经第一极化线栅偏振片的过滤，得到垂直于XY平面的极化线偏振波；所述X方向为太赫兹探测器的探测方向，所述Y方向为竖直方向；

b)极化线偏振波被第二极化线栅偏振片全反射；所述第二极化线栅偏振片的偏振方向与第一极化线栅偏振片的偏振方向垂直；

c)反射后的极化线偏振波被四分之一波片转换为圆偏振波；

步骤2：待检组织反射的圆偏振波信号经所述四分之一波片转换为平行于XY平面的极化线偏振波信号，沿原路返回，全部穿过第二极化线栅偏振片；

步骤3：极化线偏振波信号被太赫兹探测器所采集，得到一个位置处的像；

步骤4：实时调整圆偏振波的照射位置，对待检组织进行扫描，实现不同位置处的成像。

优选地，上述步骤1中的整形包括采用两个Galvano反射镜消除干涉条纹的步骤。

本发明还提供一种反射式实时肿瘤成像系统，包括太赫兹源、太赫兹探测器，其特殊之处在于：还包括太赫兹整形单元、极化单元、移动平台和偏振转换单元；

上述整形单元包括至少一个光学凸透镜或离轴抛物面镜，用于太赫兹波整形为平行光斑；

上述极化单元包括第一极化线栅偏振片和第二极化线栅偏振片；

上述第一极化线栅偏振片对整形单元输出的太赫兹波进行极化；

上述第二极化线栅偏振片反射第一极化线栅偏振片极化后的线偏振波，以及将待检组织反射回来的线偏振波信号透射至太赫兹探测器；

上述偏振转换单元包括四分之一波片，用于线偏振波转换为圆偏振波以及将待检组织反射回来的圆偏振波信号转换为线偏振波信号；

上述移动平台用于实时调整线偏振波的照射位置；

上述太赫兹探测器用于采集透过第二极化线栅偏振片的信号并成像。

优选地，该成像系统还包括滤波单元，上述滤波单元包括两个Galvano反射镜，用于消除平行光斑的干涉条纹。

优选地，上述整形单元包括位于滤波单元入射光路中的凸透镜与位于滤波单元出射光路中的凸透镜。

优选地，上述太赫兹源采用量子级联激光器，或基于激光非线性晶体差频产生的源，或基于飞秒激光光电导开关的源，也可以是其他类型的太赫兹源。

优选地，上述移动平台包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜，第一平面反射镜及第二平面反射镜相互平行，第三平面反射镜及第四平面反射镜相互平行；所述第三平面反射镜位于第二平面反射镜的反射光路中；所述第一平面反射镜能够沿x方向平移，所述第二平面反射镜位置保持固定；所述第三平面反射镜能够沿z方向平移，所述第四平面反射镜位置保持固定。

已有实验报道肿瘤组织相比正常组织，对THz吸收更强烈，因为恶性细胞增殖强烈、细胞核密度高，同时肿瘤组织可能含水量更加丰富，因此正常组织与肿瘤组织的太赫兹反射成像的幅度不同，正常组织的太赫兹反射成像的幅度高，肿瘤组织的太赫兹反射成像的幅度低，因此可以实时区分。

本发明的有益效果是：

1、本发明反射式实时肿瘤成像方法，可以作为术中实时成像的一种手段，较术中MRI、荧光等技术更具优势；高空间分辨率的特征，相对于B超技术更有优势；对细胞内生物大分子探测能力，具有潜在的区分肿瘤组织普通病理及分子病理类型的潜力，提供比细胞学特征更加深入和丰富的信息；无创、无电离辐射、无需药物注射等特点，相对于荧光、X线等技术具有明显优势；而且已有的离体脑肿瘤组织研究结果支持了其临床应用的可能，相对于拉曼光谱，可能更快进入实用阶段；

2、本发明利用一对极化相互垂直的线偏振片、一个四分之一波片，调控太赫兹波的极化方向，实现经反射的太赫兹波没有功率损失地被探测器接受，而常规分束镜的损耗很大，因此此种方案可使得成像信噪比增加；

3、本发明系统通过两对相互平行、与入射光交角45度的x和z向平移台，实现在不改变太赫兹源和探测器位置的条件下，扫描被测生物，增加了系统的稳定性和便携度。

附图说明

图1为本发明成像系统示意图；

图2为正常组织和肿瘤组织的太赫兹成像，图中右侧区块大部分(绿色部分)为正常组织；左侧区块绝大部分以及右侧区块的右下方部分(红色部分)为肿瘤组织；

图中附图标记为：1-太赫兹源，2-平凸透镜，3-第一Galvano反射镜，4-第二Galvano反射镜，5-双凸透镜，6-第一极化线栅偏振片，7-第二极化线栅偏振片，8-四分之一波片，9-太赫兹探测器，10-第一平面反射镜，11-第二平面反射镜，12-第三平面反射镜，13-第四平面反射镜。

具体实施方式

本发明反射式实时肿瘤成像方法，包括以下步骤：

1)太赫兹源1出射太赫兹波，汇聚太赫兹波成平行光斑并消除平行光斑的干涉条纹；

2)对整形为平行光斑形状的太赫兹波进行极化处理；极化处理包括以下步骤：

a)太赫兹波经第一极化线栅偏振片6的过滤，得到垂直于XY平面的极化线偏振波；X方向为太赫兹探测器的探测方向，Y方向为竖直方向；

b)极化线偏振波被第二极化线栅偏振片7全反射；第二极化线栅偏振片7的偏振方向与第一极化线栅偏振片6的偏振方向垂直；

c)反射后的极化线偏振波被四分之一波片8转换为圆偏振波；

3)待检组织反射的圆偏振波信号经所述四分之一波片8转换为线偏振信号，并且是为平行于XY平面的极化线偏振波信号，沿原路返回，可以全部穿过第二极化线栅偏振片；

4)极化线偏振波信号被太赫兹探测器所采集，得到一个位置处的像；

5)实时调整圆偏振波的照射位置，对待检组织进行扫描，实现不同位置处的成像。

本发明成像系统用于大脑开颅手术过程中，分辨肿瘤及正常组织，以实施准确切除肿瘤。从图1可以看出，本系统包括太赫兹源1、依次设置在太赫兹源1出射光路上的平凸透镜2、第一Galvano反射镜3、第二Galvano反射镜4、双凸透镜5、第一极化线栅偏振片6、第二极化线栅偏振片7；还包括位于第二极化线栅偏振片7反射光路中的第一平面反射镜10、第二平面反射镜11、第三平面反射镜12、第四平面反射镜13与四分之一波片8，及位于第二极化线栅偏振片7透射光路中的太赫兹相机9；

太赫兹源1采用量子级联激光器；

平凸透镜2及双凸透镜5将产生的太赫兹波汇聚成平行光斑；

第一Galvano反射镜3及第二Galvano反射镜4接受平行光斑并消除干涉条纹；

第一极化线栅偏振片6与入射光方向垂直，将经过第二Galvano反射镜4的太赫兹波转换为水平极化的线偏振波，即垂直于XY平面的极化线偏振波，X方向为太赫兹探测器的探测方向，Y方向为竖直方向；

第二极化线栅偏振片7与入射光方向呈45度交角，将水平极化的太赫兹线偏振波全反射；

第一平面反射镜10与入射光方向呈45度交角、与第二极化线栅偏振片7呈90度交角，其固定在一个步进平台上并可沿x向平移，实现水平极化的太赫兹波在x向平移；

第二平面反射镜11与第一平面反射镜10平行设置，并保持固定不动；第三平面反射镜12与第二平面反射镜11的出射光方向呈45度交角，其并能够沿z向平移，实现水平极化的太赫兹波在z向平移；第四平面反射镜13与第三平面反射镜12平行并保持固定不动。

四分之一波片8将经过x和z向偏移后的线偏振太赫兹波转化为圆偏振后照射到待检组织上；

通过两对平面反射镜及移动平台改变太赫兹光斑的位置，可以实现大范围内诊断正常与肿瘤组织。

该四分之一波片8将肿瘤表面反射回的太赫兹波转换为线偏振信号，并且是为平行于XY平面的极化线偏振波信号，沿原路返回，线偏振波信号与第二极化线栅偏振片7的偏振方向相同，可以全部穿过第二极化线栅偏振片，全部照射到太赫兹相机9上。

由于肿瘤组织相比正常组织，其恶性细胞增殖强烈、细胞核密度高，同时肿瘤组织可能含水量更加丰富，对THz吸收强烈，因此正常组织与肿瘤组织的太赫兹反射成像的幅度不同，正常组织的太赫兹反射成像的幅度高，肿瘤组织的太赫兹反射成像的幅度低，如图2所示，因此可以实时区分。

Claims (5)

1.一种反射式实时肿瘤成像系统，包括太赫兹源、太赫兹探测器，其特征在于：还包括太赫兹整形单元、极化单元、移动平台和偏振转换单元；

所述整形单元包括至少一个光学凸透镜或离轴抛物面镜，用于太赫兹波整形为平行光斑；

所述极化单元包括第一极化线栅偏振片和第二极化线栅偏振片；

所述第一极化线栅偏振片对整形单元输出的太赫兹波进行极化；所述第二极化线栅偏振片反射第一极化线栅偏振片极化后的线偏振波，以及将待检组织反射回来的线偏振波信号透射至太赫兹探测器；

所述偏振转换单元包括四分之一波片，用于线偏振波转换为圆偏振波以及将待检组织反射回来的圆偏振波信号转换为线偏振波信号；

所述移动平台用于实时调整线偏振波的照射位置；

所述太赫兹探测器用于采集透过第二极化线栅偏振片的信号并成像。

2.根据权利要求1所述的反射式实时肿瘤成像系统，其特征在于：还包括滤波单元，所述滤波单元包括两个Galvano反射镜，用于消除平行光斑的干涉条纹。

3.根据权利要求2所述的反射式实时肿瘤成像系统，其特征在于：所述整形单元包括位于滤波单元入射光路中的凸透镜与位于滤波单元出射光路中的凸透镜。

4.根据权利要求1或2或3所述的反射式实时肿瘤成像系统，所述太赫兹源采用量子级联激光器，或基于激光非线性晶体差频产生的源，或基于飞秒激光光电导开关的源。

5.根据权利要求4所述的反射式实时肿瘤成像系统，其特征在于：所述移动平台包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜，第一平面反射镜及第二平面反射镜相互平行，第三平面反射镜及第四平面反射镜相互平行；所述第三平面反射镜位于第二平面反射镜的反射光路中；所述第一平面反射镜能够沿x方向平移，所述第二平面反射镜位置保持固定；所述第三平面反射镜能够沿z方向平移，所述第四平面反射镜位置保持固定。