CN107233076B - 一种介入式在体实时肿瘤成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种介入式在体实时肿瘤成像方法及系统，成像方法包括：调整太赫兹及红外源出射光波的极化方向，经阵列光纤束传导至待检测组织，并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及红外源与太赫兹探测器、整形单元、极化单元、偏振转换单元与介入单元。本发明工作在太赫兹及红外频段，可在人体内实时进行肿瘤诊断，比X射线、CT检查等技术更具优势；其高空间分辨率高，其快速准确、无创的特征，比病理活检技术，更具优势。本发明是一种更安全、更准确和更便捷的肿瘤诊断方法，在肿瘤诊断中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于肿瘤诊断研究领域，具体涉及一种介入式在体实时肿瘤成像系统及方法。
背景技术
恶性肿瘤是严重威胁人类健康的重大疾病，中国的恶性肿瘤发病率已经居于世界首位，成为我国近年来居民死亡的最主要原因。不断提高肿瘤的诊断水平，对提高肿瘤患者的疗效，改善愈后和生存质量具有重要意义。当前临床中广泛应用的诊断肿瘤的主要方法就是影像学检查和病理活检技术，但这些手段都存在一定的局限性。
临床中最常用的影像学检查手段包括X射线、计算机断层显像(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层显像(PET)和超声(US)等。即使是最先进准确的影像检测方法，肿瘤检出直径至少也要在2～3mm，小于该直径范围的肿瘤通过影像学检查往往不能被发现。在进行X射线、CT检查过程中，患者要暴漏在一定剂量的射线中，存在一定的健康隐患。在做PET检查前，患者需要服用示踪剂等，带来额外的健康风险。此外，多数影像学检查费用昂贵，会给患者带来一定的经济负担。
病理活检技术是目前临床中诊断肿瘤的金标准。穿刺活检是用14G～18G的穿刺针穿刺到病灶，取3～5条组织，每条组织大小约1mm×1～1.5cm。穿刺取样创伤较大、并发症发生率高且取材范围有限，经常发生取材未发现肿瘤细胞的情况(假阴性)，且得到诊断结果一般至少需要7天。
太赫兹位于微波和红外波谱之间，穿透力较红外强，光子能量较X射线低，不会对生物组织产生有害电离。此外，很多有机分子在太赫兹频段有特征吸收和色散特性，可进行特征光谱识别。
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，这种方法不能在人体中实时监测。
发明内容
为了解决穿刺活检过程中带来的创伤及不能实时检测肿瘤的问题，本发明提供一种介入式在体实时肿瘤成像系统及成像方法，仅需将穿刺针导入到病灶处，无需活检取组织即可完成的病理诊断，避免了活检组织染色等检查过程。这种诊断方法克服了传统影像学诊断方法伴随的健康隐患的缺点，又能够获取组织的病理诊断信息，有效地简化了肿瘤诊断过程，显著降低了活检对内脏器官的损伤，降低了病人的痛苦，提高了治疗效率。
本发明的技术解决方案是：
一种介入式在体实时肿瘤成像方法，包括以下步骤：
步骤1：对整形为平行光斑形状的太赫兹及红外波进行极化处理；所述极化处理包括以下步骤：
a)太赫兹及红外波经第一极化线栅偏振片的过滤作用，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：圆偏振波按照布儒斯特角入射到阵列光纤上，对待检测组织进行扫描；所述空心穿刺针介入待检测组织内；
步骤3：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4：极化线偏振波信号被太赫兹探测器所采集并成像。
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。
本发明还提供一种介入式在体实时肿瘤成像系统，包括产生太赫兹及红外波的太赫兹及红外源与太赫兹探测器，其特殊之处在于：还包括整形单元、极化单元、偏振转换单元与介入单元；
上述整形单元包括至少一个离轴抛物面镜或者光学凸透镜，用于太赫兹及红外波整形为平行光斑；
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及红外波进行极化；
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；
上述介入单元包括阵列光纤束与包裹阵列光纤束的空心穿刺针，上述阵列光纤束用于传导圆偏振波，上述空心穿刺针用于支撑和导引阵列光纤束进入待检测组织；
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上的凸透镜与位于滤波单元出射光路中的凸透镜。
优选地，上述阵列光纤束是内芯M行乘以N列的阵列。
优选地，上述空心穿刺针的内径与阵列光纤的外径相匹配。
优选地，上述太赫兹及红外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，也可以为其他类型的太赫兹源。
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、本发明通过空心穿刺针引导阵列光纤的介入式在体实时肿瘤成像方法，可以作为一种新的肿瘤诊断方法。与X射线、CT检查等技术相比，太赫兹能量低，没有射线带来的健康隐患；与MRI或PET等技术相比，空间分辨率高，无需使用示踪剂等，更加安全；与病理活检技术相比，无创伤，更加快速、准确获取诊断信息。
2、本发明介入式在体实时肿瘤成像方法克服了传统影像学诊断方法伴随的健康隐患的缺点，又能够获取组织的病理诊断信息，有效地简化了肿瘤诊断过程，显著降低了活检取材对人体内脏器官的损伤，降低了病人的痛苦，提高了治疗效率。因此，介入式在体实时肿瘤成像是一种更安全、更准确和更便捷的肿瘤诊断方法，在肿瘤诊断中具有良好的应用前景。
3、本发明介入式在体实时肿瘤成像系统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。
附图说明
图1为本发明介入式在体实时肿瘤成像系统结构示意图；
图2为正常组织和肿瘤组织的成像对比图，其中左图为正常组织成像图。
附图标记为：1-太赫兹及红外源，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-阵列光纤束，10-空心穿刺针，11-探测器。
具体实施方式
本发明成像系统用于在体实时分辨肿瘤以及正常组织，以实现诊断肿瘤的目的。从图1可以看出，本发明成像系统包括太赫兹及红外源1，具体采用量子级联激光器；以及依次设置在激光器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，还包括依次设置在第二极化线栅偏振片7反射光路上的四分之一波片8与介入装置，及设置在第二极化线栅偏振片7透射光路上的探测器11；介入装置包括阵列光纤束9以及包裹阵列光纤束9的空心穿刺针10；探测器具体采用太赫兹相机。
平凸透镜2及双凸透镜5将产生的太赫兹及红外波汇聚成平行光斑；
第一Galvano反射镜3及第二Galvano反射镜4接收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 的太赫兹及红外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；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；
第二极化线栅偏振片7与入射光方向成45度，将水平极化的太赫兹及红外线偏振波全反射；
四分之一波片8接收反射波，将线偏振太赫兹及红外波转化为圆偏振后照射到阵列光纤束9上；
阵列光纤束9是内芯M×N的阵列，对待检组织进行扫描；M>1，N>1；
空心穿刺针10是太赫兹及红外阵列光纤的保护外壳、提供机械支撑和导引，空心穿刺针10的内径与阵列光纤的外径相匹配，空心穿刺针10直径为毫米量级，长度在几个厘米；
穿刺针将阵列光纤导引到待检测组织内，光纤中圆偏振的太赫兹及红外波传输至待检测组织，并将从组织表面反射回来的太赫兹及红外信号传输至四分之一波片8，转换为平行于XY平面的极化线偏振波信号；
经四分之一波片8转换的平行于XY平面的极化线偏振波信号与第二极化线栅偏振片7偏振方向相同，全部穿过第二极化线栅偏振片照射到探测器11 上。
本发明成像方法，首先将包裹阵列光纤束9的空心穿刺针10介入待检测组织内；然后，采用Galvano反射镜消除干涉条纹，再对整形为平行光斑形状的太赫兹及红外波进行极化处理；极化处理包括以下步骤：
a)太赫兹及红外波经第一极化线栅偏振片6转换为垂直于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；
圆偏振波按照布儒斯特角入射到阵列光纤上，对待检测组织进行扫描；
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；
极化线偏振波信号被太赫兹相机所采集并成像。
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 (6)
1.一种介入式在体实时肿瘤成像系统，包括产生太赫兹及红外波的太赫兹及红外源、太赫兹探测器，其特征在于：还包括整形单元、极化单元、偏振转换单元与介入单元；
所述整形单元包括至少一个离轴抛物面镜或者光学凸透镜，将太赫兹及红外波整形为平行光斑；
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及红外波进行极化；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；
所述介入单元包括阵列光纤束与包裹阵列光纤束的空心穿刺针，所述阵列光纤束用于传导圆偏振波，所述空心穿刺针用于支撑和导引阵列光纤束进入待检测组织；
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所述的介入式在体实时肿瘤成像系统，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1或2所述的介入式在体实时肿瘤成像系统，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3所述的介入式在体实时肿瘤成像系统，其特征在于：所述阵列光纤束是内芯为M行乘以N列的阵列。
5.根据权利要求4所述的介入式在体实时肿瘤成像系统，其特征在于：所述空心穿刺针的内径与阵列光纤的外径相匹配。
6.根据权利要求5所述的介入式在体实时肿瘤成像系统，其特征在于：所述太赫兹及红外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。
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