CN110108652B - 用于复杂组分样品的特定区域边界检测定位方法及系统 - Google Patents

用于复杂组分样品的特定区域边界检测定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于复杂组分样品的特定区域边界检测定位方法及系统，具体包括：整形出射激光，经柱透镜整形后的柱状激光垂直照射于样品水平放置平面；通过galvomirror(振镜)改变柱状激光照射于待检样品水平放置平面上的位置，采集光声信号，通过信号处理，可得到待检样品该位置处的光谱‑声功率谱联合图，通过差分光谱‑声功率谱联合图上能量归一后的声功率谱幅度，可以确定待检样品该位置处分子化学、微结构等信息进而进行边界检测定位，系统包括脉冲激光源、载玻片、针式水听器、放大器、示波器、柱透镜、galvomirror和电脑；本发明针对目前医疗设备只能从物理角度进行边界检测定位区分的问题，提出一种边界探测新方案，具有灵敏度高、穿透深度深的双重优点。

Description

用于复杂组分样品的特定区域边界检测定位方法及系统
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其是涉及一种用于复杂组分样品的特定区 域边界检测定位方法及系统。
背景技术
造成术后存活率的主要原因之一在于：术中未切除全部特定区域的组织，导 致阳性边缘残留。
随着时代的发展，如何在手术中实现精准、快速的特定区域识别边界成为医 学领域的共同目标，目前现有的术中辅助标定边界的新技术有：术中超声辅助、术 中CT、术中MRI等，以上技术都各有优缺点，它们都无法区分物理性质相近但化 学性质不同的组织，一种采用差分光谱-声功率谱联合图来标定边界的方法，它结 合了纯光学和声学方法的优点，能够保证一定的探测深度的情况下，达到较高的对 比度和空间分辨率。同时该方法弥补了目前边界辅助新技术只能从物理层面区分特 定区域与正常组织区域的局限性，提出了从化学、分子层面上剖析生物组织成分的 新角度，结果更为准确。对组织结构与功能信息全面获取的能力也会是医疗、生物 科学发展的必然趋势。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于复杂组 分样品的特定区域边界检测定位方法及系统，旨在针对现有的边界检测定位技术只 能从物理角度判定样品的特定区域边界检测定位的区分局限性，提出了一种从化学 分子层面剖析组织组分以确定组织性质，并通过差分计算对比待检样品水平放置平 面特定区域不同位置处与基准组织之间的差分光谱-声功率谱联合图，区分邻近组 织区域的分子化学、微结构等信息，达到边界标定的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于复杂组分样品的特定区域边界检测定位方法，包括以下步骤：
步骤1：利用脉冲激光经柱透镜和振镜照射待检样品的水平放置平面；
步骤2：采集待检样品产生的光声信号；
步骤3：对待检样品的水平放置平面不同位置处的光声信号进行信号处理，得 出差分光谱-声功率谱联合图；
步骤4：根据获得的差分光谱-声功率谱联合图结果来对该待检样品内的特定 区域边界进行划分定位。
进一步地，所述的步骤2包括以下分步骤：
步骤21：将待检样品选取一处作为基准位置处并采集对应的光声信号；
步骤22：通过所述振镜实时调整所述脉冲激光照射位置依次对待检样品的特 定区域上所划分的每个小区域进行照射并采集相应的光声信号。
进一步地，所述的步骤3包括以下分步骤：
步骤31：利用MATLAB对待检样品的特定区域上所划分的每个小区域所采集 的相应的光声信号进行信号处理，得出对应的光谱-声功率谱联合图；
步骤32：将得出的光谱-声功率谱联合图与所述基准位置处对应的经信号处理 后的光谱-声功率谱联合图作差分处理，得出差分光谱-声功率谱联合图。
进一步地，所述特定区域按照等间隔划分为多个小区域。
本发明还提供了一种采用所述用于复杂组分样品的特定区域边界检测定位方 法的系统，该系统包括：脉冲激光源、载玻片、水听器、放大器、示波器、电脑、 柱透镜和振镜，其中，所述柱透镜，用于对所述脉冲激光整形以实现在待检样品的 水平放置平面上聚焦激光，所述振镜，用于实时调整柱状激光聚焦于待检样品的特 定区域上所划分的每个小区域上的位置。
优选地，所述振镜通过在X轴和Y轴两个维度以改变所述柱状激光的聚焦位 置，其精度为0.01mm。
优选地，所述水听器为针式水听器。
优选地，所述柱透镜通过线聚焦方式模拟穿刺取样，实现一维快速扫描。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)穿透深度深，灵敏度高，本发明中利用柱透镜实现对待检样品的水平放 置平面特定区域线聚焦并采集光声信号，通过振镜定量控制采集区域，判断样品的 水平放置平面特定区域的不同位置(相邻间隔5mm)，精准界定边界，该方法能够 提供样品的分子化学、微观结构等信息，对比传统边界定位检测来说，检测时间更 短，实际应用中能够缩短手术时长，缓解患者及患者家属的心理压力，也改变了目 前诸多边界探测手段只能从物理角度判别的弱势。
(2)检测速度快，本发明中的柱透镜，可实现在样品的水平放置平面(XY 平面)模拟穿刺取样的线聚焦方式，实现快速一维扫描，为该装置用于实时成像奠 定基础。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图；
图2为本发明的方法流程示意图；
图3为本发明实施例的流程示意图；
图4为本发明实施例的采样移动示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获 得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图2所示为本发明的总体方法流程示意图，包括以下步骤：
步骤1：利用脉冲激光经柱透镜和振镜照射待检样品的水平放置平面；
步骤2：采集待检样品产生的光声信号；
步骤3：对待检样品的水平放置平面不同位置处的光声信号进行信号处理，得 出差分光谱-声功率谱联合图；
步骤4：根据获得的差分光谱-声功率谱联合图结果来对该待检样品内的特定 区域边界进行划分定位。
实施例
如图3所示为本发明技术方案对应实施例的方法流程示意图，包括如下步骤：
步骤1，搭建光路，对待检样品的水平放置平面实现线聚焦并采集光声信号， 脉冲激光经过galvomirror及柱透镜垂直照射于待检样品的水平放置平面特定区域 (XY平面)，其中Y方向为针式水听器水平放置方向。
步骤2，准备水槽，黑色胶带，将换能器放置于水中并对准黑体位置，接收黑 体信号，用做激光能量归一，排除仪器干扰；
步骤3，采集待检样品产生的光声信号，包括以下步骤：
在待检样品中选取一处与特定区域距离较远的正常组织区域作为基准，采集基准组织区域的光声信号。
对待检样品的水平放置平面特定区域，细划为同等间隔(5mm)的小区域， 通过galvomirror实时调整激光的照射位置，并依次对待检样品的水平放置平面特 定区域进行照射(相邻间隔5mm)，实现对待检样品的不同位置处的光声信号采集。
步骤4:对待检样品的水平放置平面不同位置处产生的光声信号进行信号处理；所述信号处理包括以下步骤：
利用MATLAB对得到的待检样品的水平放置平面不同位置处的光声信号做信 号处理(pwelch函数)，得到待检样品的水平放置平面特定区域经细划分后(相邻 位置间隔5mm)每隔5mm不同位置处的待检样品的水平放置平面不同位置处的光 谱-声功率谱联合图。
将待检样品的水平放置平面特定区域等间隔(5mm)划分后得到的不同位置 处的光谱-声功率谱联合图都与待检样品的上同一基准(正常组织)位置处的光谱- 声功率谱联合图进行差分处理，得到待检样品的水平放置平面特定区域中不同位置 下(相邻位置间隔5mm)与基准位置处差分后的差分光谱-声功率谱联合图。
如图1所示为本实施例中采用本发明方法的系统组成示意图，包括脉冲激光源、载玻片、针式水听器、放大器、示波器、电脑；还包括柱透镜和galvomirror振镜；
本实施例步骤1中，利用柱透镜整形由脉冲激光器出射的一束激光，使经过整 形的脉冲激光垂直照射于待检样品的水平放置平面，模拟穿刺取样，实现一维扫查 样品中的特定区域，为术中实时成像奠定了基础，实现在样品的水平放置平面特定 区域线聚焦，利用galvomirror实时调整柱状激光聚焦于样品的水平放置平面特定 区域(XY平面)的位置，可以在X和Y两个维度上改变柱状激光聚焦位置，来控制 针式水听器采样的区域，精度可达0.01mm，可以精准、定量的判断出特定区域中 的边界位置。
对于光声效应来说，本发明采取的线聚焦的方式对比以往常规的单点聚焦，辐 照的区域增加，整个被辐照区域都将产生声信号，因此采集后能获取更多的生物组 织微结构信息，并因病理分析大都通过穿刺取样，线聚焦结果的匹配度更高。
光声，是光进声出的检测技术，光声效应描述的是一种利用脉冲激光或调制电 磁波作为声波激发源辐照在组织上，组织体内的大分子发色团由于热弹效应产生辐 射声能的过程。光声是在超声的平台上结合了光学的优势，探测深度更深的同时保 留高灵敏度性。同时基于组织内吸收团的特征光谱吸收和形态结构，光声信号可以 同时携带检测样本的物理、化学、微观结构等信息，对比目前的诸多术中边界探测 技术，更为精准界定边界，下式为光声方程，表明当组织受到时变加热(光照)时 便会向外辐射声波：
Figure BDA0002014210810000051
Figure BDA0002014210810000052
其中β为压强系数，
Figure BDA0002014210810000053
为热函数，定义为单位体积和时间的热能转换，ηth为 热转换效率，
Figure BDA0002014210810000054
是生物组织被辐照区域的比光功率沉积，
Figure BDA0002014210810000055
为光通量，Cp为等 压比热容，
Figure BDA0002014210810000056
为t时刻，r处产生的声压。
步骤1中，将针式水听器放置于待检样品的水平放置平面特定区域线聚焦光线 的延长线处，确保采集区域光声信号的时域信号能够最长，这样经过傅立叶变换为 频率信号后能保留更高的频率分辨率，能够帮助获取样品更多的分子化学、微观结 构等信息。
步骤2中，对待检样品的水平放置平面特定区域同一位置，利用水听器在采集 待检样品的水平放置平面特定区域的光声信号同时，将利用换能器同时采集黑体的 光声信号用做激光脉冲能量归一，可以排出激光自身能量改变带来的仪器干扰，确 保数据的准确性。
在选定采集区域(待检样品的水平放置平面特定区域)的待检样品的水平放置 平面上方，放入足量的水凝胶耦合剂，减少光声信号在空气中发生的强衰减，能够 保留更多的高频光声信号。
步骤4中，本发明采用的光声谱技术是利用Matlab中的pwelch函数将待检样 品的光声信号在光波长和声频率两个维度上展开成光谱-声功率谱联合图是一种分 析组织组分的新方法，其中声频率维度上的展开可以表征吸收光的分子团簇尺度分 布，对于评估一些恶性程度与细胞异质性相关的组织具有巨大的潜力，因为生物组 织声特性与水相近(横向传播速度是纵向传播速度的千分之一)，因此建立水中球 形吸收能量后产生振动的物理模型，可以解出水中球形声源声场分布为：
Figure BDA0002014210810000061
其中ω‘是中心频率ω通过变量代换
Figure BDA0002014210810000062
得到的，p(r,ω′)表示在r处ω‘产 生的声压，β为压强系数，Ea为吸收激光能量，σ为水的比热容，r0为球形发色团半 径。对上式求一阶及二阶偏导即可求得中心频率与球形发色团(组织团簇)之间的 关系。其次光谱-声功率谱联合图在光波长维度上的展开表征了组织的分子化学信 息可用于判别与分子成分相关的良恶性。
在步骤4中，首次将基准(正常)及待检样品的水平放置平面特定区域(一般 包含不同程度的组分，相邻间隔5mm)的光谱-声功率谱联合图进行差分处理，主要 方法如下：
a)在待检样品中选取一处与术前特定区域距离较远的正常组织作为基准，采集基准组织的光声信号。
b)对待检样品的水平放置平面特定区域，细划为同等间隔(相邻间隔5mm) 的小区域，通过galvomirror实时调整激光的照射位置，并依次对待检样品的水平 放置平面特定区域进行照射(相邻间隔5mm)，实现对待检样品的不同位置处的光 声信号采集。
c)利用MATLAB对得到的待检样品的水平放置平面不同位置处的光声信号 做信号处理(pwelch函数)，得到待检样品的水平放置平面特定区域经细划分后(相 邻位置间隔5mm)每隔5mm不同位置处的待检样品的水平放置平面不同位置处的 光谱-声功率谱联合图。
d)将待检样品的水平放置平面特定区域等间隔(5mm)划分后得到的不同位 置处的光谱-声功率谱联合图都与待检样品上同一基准(正常组织)位置处的光谱- 声功率谱联合图进行差分处理，得到待检样品的水平放置平面特定区域中不同位置 下(相邻位置间隔5mm)与基准位置处差分后的差分光谱-声功率谱联合图。
通过观察差分后的差分光谱-声功率谱联合图的声功率谱幅度强弱即可区分待检区域与基准区域组织性质是否相同，以此实现划定边界的目的。
光谱-声功率谱联合图横轴表示为光吸收波段(690-950nm，1200-1700nm)， 纵轴为吸收激光后产生的声信号频率，单位为Mhz，colorbar范围表示归一后的声 功率谱幅度范围，单位为dB。差分后得到的差分光谱-声功率谱联合图，同样横轴 为光吸收波段(690-950nm，1200-1700nm)，纵轴为吸收激光后产生的声信号频率 声频率，单位为Mhz，colorbar范围表示归一后的待检特定区域与基准区域差分后 得到的差分声功率谱幅度范围，单位为dB。
本实例中，采样移动方式、移动方向如图4所示，样本是垂直于聚焦光线的水 平方向移动的，其中激光出射方向、样品的水平放置平面疑似病灶区域聚焦线与移 动方向三者两两垂直。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效 的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于复杂组分样品的特定区域边界检测定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用脉冲激光经柱透镜和振镜照射待检样品的组织水平放置平面，所述柱透镜通过线聚焦方式模拟穿刺取样以实现一维扫描；
步骤2：采集待检样品产生的光声信号；
步骤3：对待检样品的水平放置平面不同位置处的光声信号进行信号处理，得出差分光谱-声功率谱联合图；
步骤4：根据获得的差分光谱-声功率谱联合图结果来对该待检样品内的特定区域边界进行划分定位；
所述的步骤2包括以下分步骤：
步骤21：将待检样品选取一处作为基准位置处并采集对应的光声信号；
步骤22：通过所述振镜实时调整所述脉冲激光照射位置依次对待检样品的特定区域上所划分的每个小区域进行照射并采集相应的光声信号，所述振镜通过在X轴和Y轴两个维度以改变柱状激光的聚焦位置，其精度为0.01mm；
所述的步骤3包括以下分步骤：
步骤31：利用MATLAB对待检样品的特定区域上所划分的每个小区域所采集的相应的光声信号进行信号处理，得出对应的光谱-声功率谱联合图；
步骤32：将得出的光谱-声功率谱联合图与所述基准位置处对应的经信号处理后的光谱-声功率谱联合图作差分处理，得出差分光谱-声功率谱联合图。
2.根据权利要求1所述的一种用于复杂组分样品的特定区域边界检测定位方法，其特征在于，所述特定区域按照等间隔划分为多个小区域。
3.一种采用如权利要求1或2所述的用于复杂组分样品的特定区域边界检测定位方法的系统，其特征在于，该系统包括：脉冲激光源、载玻片、针式水听器、放大器、示波器、电脑、柱透镜和振镜，其中，所述柱透镜，用于对所述脉冲激光整形以实现在待检样品的水平放置平面上聚焦激光，所述振镜，用于实时调整柱状激光聚焦于待检样品的特定区域上所划分的每个小区域上的位置。
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