CN109044282A - 融合触觉传感和光断层扫描成像的检测装置与检测方法 - Google Patents
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Abstract
融合触觉传感和光断层扫描成像的检测装置与检测方法，属于生物医学成像领域。本发明包括手持探头，一个对手持探头进行信号控制、数据采集并与计算机通讯的控制器，和一个对控制器信息进行数据分析、图像重建和显示的计算机；所述手持探头包括探头前盖，依此设置的触觉传感器、探头基座、光电传感器模块夹持在与探头前盖相配合的第一探头侧盖、第二探头侧盖之间；第一探头侧盖、第二探头侧盖之间穿置与光电传感器模块连接的光纤。本发明采用触觉传感器融合光学散射断层成像来检查生物组织内肿瘤的装置，同时检测组织的物理变化(局部硬度)，和组织的功能变化(供血分布)，融合触觉图像和光学图像，以提高对乳腺肿瘤的检测和病症判断。
Description
技术领域
本发明属于生物医学成像领域，尤其涉及一种采用触觉(压力)阵列传感器、和光断层扫描成像来显示生物组织结构和对不同光的吸收、散射的双模式成像装置，以及基于该装置的控制和成像方法。该发明的一个典型应用是对乳腺肿瘤疾病的检测。
背景技术
在生物组织影像检查中，如乳腺(乳房)组织，常用检测设备包括乳腺钼靶X线成像、超声成像、光学成像以及核磁共振(MRI)等。其中，乳腺钼靶X线成像有着较宽泛的检测等级，成像简便，具有可重复性，为目前乳腺癌检查的新标准。但钼靶X线成像具有X射线辐射，需要特殊的防护使用环境，并且对致密性的乳腺检查效果不佳。超声和核磁共振(MRI)也在乳腺癌诊断过程中起到补充作用。核磁共振具有明显的灵敏度优势，但其使用耗时而且费用高。超声为最常使用的医疗影像设备，适于不同场合的使用，具有成本和价格优势，常用于乳腺癌的检查。但常规超声系统在乳腺检查的使用，受到了几方面的局限：一是对医生的识片技能要求高，另一方面成像缺乏重复性。临床上常用的乳腺超声多为二维B型超声，这种传统的超声成像模式仅能提供乳腺某一断面的图像，具有一定的局限性。
乳腺肿瘤检查的常用临床方法为医生触诊，通过医生的手摸来感知乳腺内部是否有肿块，这种临床触诊能够发现肿块，经验丰富的医生能够基于肿块的触诊感觉来给出肿块的特征判断。基于该原理，美国产生了两款产品，一个是SureTouch，一个是iBE。基于分布式的压力传感器技术，检测组织的应力变化，代替人手触诊，能够对数据进行记录，这些产品已被临床证明具有一定的临床价值。
光学成像是基于组织对不同波长的光有不同的吸收和散射作用，所以检测组织的光学特性就能够反映被测组织的功能信息，如血红蛋白、血氧等，这些信息对于肿瘤的诊断具有很大的价值。但因为被测组织对光线的散射作用，光学成像的空间分辨率较低，导致过去采用的红外乳腺成像仪或热像仪临床效果欠佳，同时现行的红外乳腺成像仪类似简单的CCD照相，不具备断层成像，或容积成像的功能，难以从CCD图像获取组织内部信息，医生从红外影像难以作出诊断，另外这类红外乳腺成像仪也缺乏重复性，不能与其他影像融合或匹配。
发明内容
本发明提供一种采用触觉传感器融合光学散射断层成像来检查生物组织内肿瘤的装置，同时检测组织的物理变化(局部硬度)，和组织的功能变化(供血分布)，融合触觉图像和光学图像，以提高对乳腺肿瘤的检测和病症判断。
一种触觉传感和光断层扫描成像的检测装置，包括一个与被测组织接触的手持探头，一个对手持探头进行信号控制、数据采集并与计算机通讯的控制器，和一个对控制器信息进行数据分析、图像重建和显示的计算机；所述手持探头包括探头前盖，依此设置的触觉传感器、探头基座、光电传感器模块夹持在与探头前盖相配合的第一探头侧盖、第二探头侧盖之间；第一探头侧盖、第二探头侧盖之间穿置与光电传感器模块连接的光纤。
特别是，本发明触觉传感器上靠近探头前盖的一侧端面上设置触感探测薄膜，所述触觉传感器上设置若干个光纤头出口、微光探测器端口，从而在一个探头面上集成了两种信息的探测。
本发明光电传感器模块包括光探测器前板，所述光探测器前板靠近探头基座的一侧交错设置若干个微光探测器、若干个光纤接头，所述光探测器前板远离探头基座的一侧设置信号处理板，所述微光探测器与所述信号处理板连接；所述触觉传感器上分别设置与信号处理板连接的触觉薄膜传感器上接线端、触觉薄膜传感器下接线端。
本发明控制器内部包含一组光信号发生器，光信号发生器发出的激光通过光开关耦合到光纤上，光开关按照计算机控制不同光源到光纤的出光。
基于本发明触觉传感和光断层扫描成像的检测装置的检测方法，触觉传感器采集信号并通过光电传感器模块发送到控制器，计算机与控制器进行通讯连接，向控制器发送命令和接收数据；对接收到的薄膜压力传感器信号和光学信号进行处理，获得压力分布的图像和光散射图像。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明针对压力分布图像和光学DOT图像信号进行同步采集，并重建两种三维图像使得在空间上相关联，有利于医生从组织的触觉影像和光学的功能影像两方面来诊断组织内部病症，提高对组织病症诊断的准确性。
2、本发明得到的成像无损无创无辐射，使用简便，适于不同年龄段人群的检查。使用方便，可以适用于临床筛查，具有高性价比和适用性。能够有效的满足当前快速肿瘤筛查的需要，如乳腺癌的筛查。
3、本发明采用压力薄膜传感器检测组织硬度的分布和变化，能够反映局部是否有肿块(组织硬度不均匀)。光学成像可以反映组织内部的成分信息，特别是血液(含氧和脱氧血)的分布情况。以此来提供组织肿瘤的位置和功能信息，辅助肿瘤病理诊断。比如乳腺癌的检测和诊断。
4、本发明在控制器内部设置光信号发生器，可以发出不同波长的激光，光信号发生器发出的激光通过光开关耦合到光纤上，通过控制光开关，控制器可以按照计算机的命令要求选择将需要的激光信号发出到一根或几根光纤；以此来选择手持传感器上光信号的发出位置、发出时间等。同时控制器与手持探头的信号处理板通讯，协调微光探测器的信号采集和处理，提高了检测效率，提高对组织病症诊断的准确性。
5、本发明利用计算机与控制器进行通讯连接(如USB口)，向控制器发送命令和接收数据。对接收到的薄膜压力传感器信号和光学信号进行处理，获得压力分布的图像和光散射图像，压力分布图像可以反应组织内部的一致性和均匀性。如果用于乳腺组织的检查，压力分布不均则反映组织内部有肿块。光散射图像则反映组织内部对不同波长的光信号吸收的情况，基于组织光学原理，使用不同波长的激光，光散射图像则反映组织对不同波长光线的吸收程度和分布，从而可以分析组织内部的成分，特别是含氧和脱氧血红蛋白的情况，也就反映了局部组织的代谢状态。
6、本发明将压力分布图与光学图结合起来，就可以同时获得组织分布均匀性(肿块)，和局部代谢的信息，有助于对组织内部肿瘤的检测和良恶性的分析判断。
7、本发明对触感探测薄膜规格型号没有特殊要求和限制，可以选择装配不同的薄膜探头和模块，具有灵活性。光学探测和控制系统可以采用不同波长的光源，以检测不同组织成分的反映，采用多光源、多光纤阵列和微光探测器阵列，进行扫描数据采集，采用组织光学散射模型，红外成像单元对多点源组织散射图像组序列进行三维模型重建获得被测组织的三维图像。因为触觉成像和光学成像是在同一空间同步采集获得，获得的组织的触觉成像和光学成像相互关联，实现两种模式图像的叠加分析，用于对组织的检查和诊断，无损无创无辐射。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图2是本发明手持探头的结构示意图。
图3是本发明触觉传感器的端面结构示意图。
图4是本发明触觉传感器的结构示意图。
图5是本发明的工作原理框图。
图6是本发明利用薄膜压力传感器压力检测后的图像显示。
图7是本发明利用微光电传感器模块探测后的数据显示。
图8是光信号进入组织后光散射的路径示意图。
图9是本发明根据DOT算法重建后获得的图像显示。
图10本发明薄膜触觉传感器采用16路数据并行采集的示意图。
图11是本发明光电传感器模块的工作状态示意图。
图12是本发明DOT成像状态的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1、图2所示，一种触觉传感和光断层扫描成像的检测装置，包括一个与被测组织接触的手持探头1，一个对手持探头进行信号控制、数据采集并与计算机通讯的控制器2，和一个对控制器信息进行数据分析、图像重建和显示计算机3；所述手持探头1包括探头前盖4，依此设置的触觉传感器5、探头基座6、光电传感器模块7夹持在与探头前盖4相配合的第一探头侧盖8、第二探头侧盖9之间；第一探头侧盖8、第二探头侧盖9之间穿置与光电传感器模块7连接的光纤10。
如图3所示，本发明的触觉传感器5上靠近探头前盖4的一侧端面上设置触感探测薄膜11，所述触觉传感器5上设置若干个光纤头出口12、微光探测器端口13。
如图4所示，本发明的光电传感器模块7包括光探测器前板19，所述光探测器前板19靠近探头基座6的一侧交错设置若干个微光探测器16、若干个光纤接头17，所述光探测器前板19远离探头基座6的一侧设置信号处理板20，所述微光探测器16与所述信号处理板20连接；所述触觉传感器5上分别设置与信号处理板20连接的触觉薄膜传感器上接线端14、触觉薄膜传感器下接线端15。
本发明的控制器内部包含一组光信号发生器，光信号发生器发出的激光通过光开关耦合到光纤上。
如图5所示，本发明的触觉传感器5采集信号并通过光电传感器模块7发送到控制器2；计算机3与控制器2进行通讯连接，并向控制器2发送命令和接收数据；计算机3对接收到的薄膜压力传感器信号和光学信号进行处理，获得压力分布的图像和光散射图像。
如图5所示，本发明的控制器2发送信号到光电传感器模块7，光电传感器模块7通过光纤阵列发送激光到待检测组织，触觉传感器5将待检测组织发射的光信号采集后发送到控制器2，控制器2将采集的光信号和触觉传感器信息发送至计算机3。
基于本发明的融合触觉传感和光断层扫描成像的检测装置的检测方法，触觉传感器采集信号并通过光电传感器模块发送到控制器，计算机与控制器进行通讯连接，向控制器发送命令和接收数据；对接收到的薄膜压力传感器信号和光学信号进行处理，获得压力分布的图像和光散射图像。
本发明的控制器发送信号到光电传感器模块，光电传感器模块通过光纤阵列分时发送各种波长的激光到待检测组织，微光探测器的光信号采集后发送到控制器，控制器将采集的光信号和触觉传感器信息发送至计算机。
本发明的触觉传感器获得的信号为接触面空间分布的每个探测点的压力值，根据薄膜压力传感器的点阵分布和每个点的数值，计算机得出与该探测面接触的组织的硬度分布，展现为三维硬度分布图，并反映出软组织内部的肿块情况。
本发明各种波长的光，从多个位置进入组织，经过组织内部吸收和散射后，在多个位置获得出光信息，计算机获得上述微光探测器信息后，采用光散射断层成像方法，得到光散射断层成像图，从而获得被测组织内部的光吸收分布图；被测组织对各种光信号的吸收，反应了被测组织内部的血供情况。
本发明的计算机将获得的三维硬度分布图和光散射断层成像图实时显示，在使用过程中，使用者动态观察组织的触觉变化和组织光学特性，从而发现组织内部的肿瘤及其特征。
本发明的薄膜压力传感器包含多个分离的压力测量点，在接触面上形成一个平面分布的阵列，每个测量点检测该接触点的压力值；合在一起，传感器阵列就反应了这个接触面的压力分布。对于检测到的压力分布数据，经处理后，可以用空间的三维数据表达(如图6所示)，也可以平面的伪彩图形式表达。两者均可以反应被测组织面的压力分布。对于乳腺组织检测，就可以反应乳腺内部是否有肿块，以及其位置和大小。
光探测模块包含多个空间分布的出光光纤，和空间分布的微光探测器。在典型应用中，控制器选择一个波长的激光光源，和一个出光光纤，然后探测所有微光探测器的信号。每个微光探测器的信号就反应了在给定一个光波长、和一个发光点后，发出的光子通过被测组织，经过散射后，得到在每个微光探测器位置的出光信号(如图7所示)。如果控制器包含J个激光源，探头有N个出光光纤，M个微光探测器，那么我们就会采集到J x N x M组信号。这些信号可以实时显示，当手持探头移动时，操作者就可以观察每个位置的信号变化。
当一束光线进入一个均匀的组织后，组织与进入的光子发生作用，一部分被吸收，一部分散射后进入组织，另一部分会返回到组织表面。整体的光散射路径类似一个香蕉型(如图8所示)。从发射光源点到接收探测器点不同的距离，得到的信号就反应了不同组织深度的光散射和吸收情况(如图9所示)。在生物光学中由其规律由一组光子散射的输运方程(机制)来描述。
基于组织光学的散射模型，用采集到的J x N x M组信号，就可以进行图像重建，获得组织对特点光波段的散射和吸收分布图像。如图10所示，这个图像就提供了局部组织的代谢情况。
本发明的薄膜触觉传感器采用单行扫描，多路信号并行采集数据，可以快速实时获得所有分布点上的压力信号值，从而获得整体接触面的压力分布。在电路设计上由一个微处理芯片完成，图11所示为一个多路信号选通，和16路数据并行采集的示意图。
图12表示了本发明对光学信号的控制与数据采集的结构，为了获得组织的DOT成像，及对不同光波长的组织信息，光学系统的数据采集方法如下：
1)光信号控制器控制光源选择光开关选择一个特定波长的光源，将信号传导致一个输出选择光开关；
2)光信号控制器控制控制输出选择光开关选择一路光纤输出光信号到探头；控制并行采集全部微光探测器的信号，进行保存；
3)光信号控制器控制控制输出选择光开关选择下一路光纤输出光信号到探头；控制并行采集全部微光探测器的信号，进行保存；
4)当所有光纤输出均遍历完成，并采集对于信号以后，光信号控制器控制控制光源选择光开关选择下一个光源信号；重复上述2-3的过程，直到所有光源信号均完成。
5)完成一组数据采集后，上位机进行数据分析计算，获得当前位置的组织光学断层成像(DOT)。
本发明DOT成像的基本原理：给定组织体表面光源的时-空分布及与此对应的传输光测量量之时-空分布，基于特定的光子传输模型，求解组织体内的光学参数三维分布。DOT成像的任务是同时重建组织域内所有光学参数的分布，而在应用中则常假定其中一个或两个参数分布(通常是折射率)为已知常数以简化问题的求解，也就是通常只是重建吸收系数和约化散射系数。
本发明的DOT成像计算取决于几个因素：发光源的信号强度，微光探测器的灵敏度，和发光源与探测器的相对位置。相对位置由案头的几何结构确定，前两方面的信息在系统使用前会使用一个标准物进行标定。
DOT的成像算法是基于散射模型的玻尔兹曼输运方程，光子散射模型：
其中Φ(r,t)为光子通量(photons/[cm2·s])；v为在散射溶液中光速；μa为吸收系数；μ′s＝(1-g)μs为约化散射系数，r为“散射角平均余弦”；D＝v/3μ′s为光子散射度；S(r,t)为同相光源。该模型假定输入的光源是高频信号(高频调制的光信号)，使用其具有频率和相位信息。
利用采集到的数据，我们就可以根据光信号本身的强度，探测到的信号，及空间分布信息，来反解决该输运方程，从而得到被测组织对一个特定光波长的光吸收和散射DOT分布。如果组织中的血液分布是均匀的，那么DOT的分布图就会是均匀分布的。如果组织中有局部血液的聚集，那么该部分对光信号的吸收就会变化(吸收增加)，DOT成像就会反应出该区域的吸收数值高，图像显示变化。
Claims (9)
1.一种融合触觉传感和光断层扫描成像的检测装置，其特征在于包括一个与被测组织接触的手持探头，一个对手持探头进行信号控制、数据采集并与计算机通讯的控制器，和一个对控制器信息进行数据分析、图像重建和显示的计算机；所述手持探头包括探头前盖，依此设置的触觉传感器、探头基座、光电传感器模块以及夹持在与探头前盖相配合的第一探头侧盖、第二探头侧盖之间；第一探头侧盖、第二探头侧盖之间穿置与光电传感器模块连接的光纤。
2.根据权利要求1所述的融合触觉传感和光断层扫描成像的检测装置，其特征在于上述触觉传感器上靠近探头前盖的一侧端面上设置触感探测薄膜，所述触觉传感器上设置若干个光纤头出口、微光探测器端口。
3.根据权利要求1所述的融合触觉传感和光断层扫描成像的检测装置，其特征在于上述光电传感器模块包括光探测器前板，所述光探测器前板靠近探头基座的一侧交错设置若干个微光探测器、若干个光纤接头，所述光探测器前板在探头基座的后侧侧设置信号处理板，所述微光探测器与所述信号处理板连接；所述触觉传感器上分别设置与信号处理板连接的触觉薄膜传感器上接线端、触觉薄膜传感器下接线端。
4.根据权利要求1所述的融合触觉传感和光断层扫描成像的检测装置，其特征在于上述控制器内部包含一组光信号发生器，光信号发生器发出的激光通过光开关耦合到光纤上。
5.基于权利要求1所述的融合触觉传感和光断层扫描成像的检测装置的检测方法，其特征在于触觉传感器采集信号并通过光电传感器模块发送到控制器，计算机与控制器进行通讯连接，向控制器发送命令和接收数据；对接收到的薄膜压力传感器信号和光学信号进行处理，获得压力分布的图像和光散射图像。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于控制器发送信号到光电传感器模块，光电传感器模块通过光纤阵列分时发送各种波长的激光到待检测组织，微光探测器的光信号采集后发送到控制器，控制器将采集的光信号和触觉传感器信息发送至计算机。
7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于触觉传感器获得的信号为接触面空间分布的每个探测点的压力值，根据薄膜压力传感器的点阵分布和每个点的数值，计算机得出与该探测面接触的组织的硬度分布，展现为三维硬度分布图，并反映出软组织内部的肿块情况。
8.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于各种波长的光，从多个位置进入组织，经过组织内部吸收和散射后，在多个位置获得出光信息，计算机获得上述微光探测器信息后，采用光散射断层成像方法，得到光散射断层成像图，从而获得被测组织内部的光吸收分布图；被测组织对各种光信号的吸收，反应了被测组织内部的血供情况。
9.根据权利要求7或8所述的检测方法，其特征在于计算机将获得的三维硬度分布图和光散射断层成像图实时显示，在使用过程中，使用者动态观察组织的触觉变化和组织光学特性，从而发现组织内部的肿瘤及其特征。
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