CN111481171A - 一种用于脑外科手术的多模态监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于脑外科手术的多模态监测系统及方法，用于脑外科术中血氧、血流分布的多模态监控，系统包括：光源模块：光声成像光源和激光散斑成像光源；共光路扫描模块：将2路光源的激光束合并，并二维扫描目标区域；光声波采集模块：采集目标区域的光声波信号；激光散斑采集模块：采集目标区域的激光散斑；处理器：控制各模块运行，并基于光声波信号计算目标区域的血氧分布、基于激光散斑计算目标区域的血流分布；显示器：呈现处理器获取的目标区域的血氧分布和血流分布。与现有技术相比，本发明可实现脑外科手术过程中无创、不需造影剂的情况下实时监测脑血氧、血流信息，从而为手术操作提供更多引导和参考，不干扰手术的进程。
Description
技术领域
本发明涉及一种脑外科术辅助系统，尤其是涉及一种用于脑外科手术的多模态监测系统及方法。
背景技术
脑外科手术期间脑血流血氧的测量与监测具有较好的临床应用价值。手术中监测脑血管可以了解脑部微循环是否正常，对脑血管血氧实行监测可以预防并及早发现并预防手术中发生的缺血性脑损伤，与其他监护技术联合应用可以为患者提供更为全面、更加安全的手术监护。
现有的脑外科手术中的监测设备主要为外科医生提供形态学观测辅助，如手术显微镜、内窥镜，而无法实时反映血管中的血流速度、组织的血流灌注、血氧饱和度等功能信息，这些附加信息对于神经外科类的手术具有十分重要的意义，例如：在颅内肿瘤切除术及脑血管畸形切除术中，实时监测脑血流、血氧有利于医生动态掌握异常血流的阻断程度，同时避免正常血管的误夹闭，及血氧含量检测病人是否缺氧；脑血管搭桥手术过程中，脑皮层血流的实时监测还可以帮助评估桥血管的通畅程度、含氧量是否正常及脑血流是否恢复到正常水平。
光声成像是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，称这种由光激发诱导的超声信号为光声信号。通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像，可得到高分辨率和高对比度的组织图像。多光谱光声成像，依赖于可见光范围内的氧和脱氧血红蛋白的强而独特的光吸收光谱来提取血氧饱和度。
激光散斑成像(laser speckle imaging,LSI)技术作为一种新兴的血管、血流光学成像办法，通过分析漫反射的激光经过不同传播路径相干叠加后造成的“散斑”现象，就可以得到可视化定量的实时组织血流灌注图像，是一种无标记的、非接触式、无创伤、无需造影剂并且高时间和空间分辨率的二维全场血流成像方法。在生物医学应用方面，LSI技术已经被用来研究皮肤、视网膜、视神经以及肠系膜等组织器官的表层血流特征。此外，由于能够方便得到脑皮层血流实时二维分布图，该技术也十分适合实时监测脑皮层的血管网络和血流分布。
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脑外科手术的多模态监测系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于脑外科手术的多模态监测系统，该系统用于脑外科术中血氧、血流分布的多模态监控，该系统包括：
光源模块：包括2路光源，分别为光声成像光源和激光散斑成像光源；
共光路扫描模块：用于将2路光源的激光束合并，并二维扫描目标区域；
光声波采集模块：采集目标区域的光声波信号；
激光散斑采集模块：采集目标区域的激光散斑；
处理器：控制各模块运行，并基于采集的光声波信号计算目标区域的血氧分布、基于采集的激光散斑计算目标区域的血流分布；
显示器：呈现处理器获取的目标区域的血氧分布和血流分布。
所述的光声成像光源为可调谐脉冲激光器，其光学调谐范围为500nm～700nm。
所述的光声成像光源包括依次设置的Nd：YLF激光器、第一分光镜和染料激光器，所述的染料激光器输出的激光光束入射至共光路扫描模块。
所述的光声成像光源还包括激光抖动补偿组件，所述的激光抖动补偿组件包括用于检测Nd：YLF激光器发出的可调脉冲激光束信息的激光检测器，所述的激光检测器连接所述的处理器，所述的处理器配置为根据激光检测器检测的可调脉冲激光束信息对Nd：YLF激光器进行激光抖动补偿。
所述的激光散斑成像光源包括785nm激光二极管及控制器，所述的激光散斑成像光源输出的激光光束入射至共光路扫描模块。
所述的共光路扫描模块包括依次设置的第二分光镜、光圈、第三分光镜、扩束镜、准直镜、第二滤波片、x-y振镜扫描仪和物镜，所述的第二分光镜将2路光源的激光束合并，合并后的激光束经处理后照射至目标区域。
所述的光声波采集模块包括依次连接的超声换能器和宽带放大器，所述的超声换能器置于区域附近并采集目标区域发出的光声波信号，所述的宽带放大器对光声波信号放大后传输至所述的处理器。
所述的激光散斑采集模块包括第一滤光片和激光散斑采集器，所述的第一滤光片置于所述的第二分光镜反射光束出口端，所述的激光散斑采集器获取目标区域的激光散斑并传输至所述的处理器。
一种用于脑外科手术的多模态监测方法，该方法基于上述多模态监测系统，该方法包括如下步骤：
(1)光声成像光源和激光散斑成像光源分别发射激光束，共光路扫描模块将2路光源的激光束合并，并传输至目标区域；
(2)激光束照射目标区域的生物样品，当激光脉冲照射生物组织时，光能被组织吸收并转化为热，生物样品的组织中的热弹性膨胀产生宽带光声波，反射的激光经过不同传播路径相干叠加后产生激光散斑；
(3)光声波采集模块采集目标区域的光声波信号，激光散斑采集模块采集目标区域的激光散斑；
(4)处理器基于采集的光声波信号计算目标区域的血氧分布，同时处理器基于采集的激光散斑计算目标区域的血流分布；
(5)展示处理器获取的目标区域的血氧分布和血流分布。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明系统和方法可实现脑外科手术过程中无创、不需造影剂的情况下实时监测脑血氧、血流信息，从而为手术操作提供更多引导和参考，不干扰手术的进程。
(2)本发发明系统光声成像光源和激光散斑成像光源的激光束合并为一，使两种光源共光路，简化系统复杂度，同时使多模态监测系统设置更合理；
(3)本发明将目标区域的血氧分布和血流分布进行展示，方便手术中医生进行查看，以辅助医生对术中病人情况进行了解和改善。
附图说明
图1为本发明一种用于脑外科手术的多模态监测系统的组成结构示意图；
图2为本发明一种用于脑外科手术的多模态监测方法的流程框图；
图3为本发明实施例中显示的脑血流和血氧示意图。
图中，1为Nd：YLF激光器，2为染料激光器，3为785nm激光二极管及控制器，4为显示器，5为处理器，6为第一光电二极管，7为第一分光镜，8为第二分光镜，9为第二光电二极管，10为第一滤光片，11为光圈，12为第三分光镜；13为扩束镜，14为准直镜，15为第二滤波片，16为x-y振镜扫描仪，17为物镜，18为超声换能器，19为宽带放大器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，一种用于脑外科手术的多模态监测系统，该系统用于脑外科术中血氧、血流分布的多模态监控，该系统包括：
光源模块：包括2路光源，分别为光声成像光源和激光散斑成像光源；
共光路扫描模块：用于将2路光源的激光束合并，并二维扫描目标区域；
光声波采集模块：采集目标区域的光声波信号；
激光散斑采集模块：采集目标区域的激光散斑；
处理器5：控制各模块运行，并基于采集的光声波信号计算目标区域的血氧分布、基于采集的激光散斑计算目标区域的血流分布；
显示器4：呈现处理器5获取的目标区域的血氧分布和血流分布。
光声成像光源为可调谐脉冲激光器，其光学调谐范围为500nm～700nm。光声成像光源包括依次设置的Nd：YLF激光器1、第一分光镜7和染料激光器2，染料激光器2输出的激光光束入射至共光路扫描模块。本实施例中Nd：YLF激光器1采用德国Edge Wave GmbH的型号为IS8II-E的Nd：YLF激光器1，染料激光器2采用德国Sirah Laser和Plasmatchnik GmbH的型号为Cobra的染料激光器2。染料激光器2被Nd：YLF激光器1泵浦并用作照射源，Nd：YLF激光器1的脉冲持续时间约为6ns，能够以在大约3kHz到大约6kHz的范围内的脉冲重复率工作。可调谐脉冲激光器还可用多个单独的固定波长激光器代替，该波长在上述确定的范围内，由处理器5控制。此外，可调脉冲激光器还可以用超连续光谱(SC，supercontinuum)作为光源。
光声成像光源还包括激光抖动补偿组件，激光抖动补偿组件包括用于检测Nd：YLF激光器1发出的可调脉冲激光束信息的激光检测器，激光检测器连接处理器5，处理器5配置为根据激光检测器检测的可调脉冲激光束信息对Nd：YLF激光器1进行激光抖动补偿。激光检测器为第一光电二极管6，第一光电二极管6可选Thorlabs公司制造的DET10A型光电二极管。
激光散斑成像光源包括785nm激光二极管及控制器3，激光散斑成像光源输出的激光光束入射至共光路扫描模块。
共光路扫描模块包括依次设置的第二分光镜8、光圈11、第三分光镜12、扩束镜13、准直镜14、第二滤波片15、x-y振镜扫描仪16和物镜17，第二分光镜8将2路光源的激光束合并，合并后的激光束经处理后照射至目标区域。两个光源通过光圈11在空间上过滤并经过扩束镜13扩大光束直径再经过准直镜14，经过第二中性密度滤光片衰减后，扩展后的激光束通过x-y振镜扫描仪16和物镜17。
光声波采集模块包括依次连接的超声换能器18和宽带放大器19，超声换能器18置于区域附近并采集目标区域发出的光声波信号，宽带放大器19对光声波信号放大后传输至处理器5。聚焦的激光束照射生物样品，激光被吸收并转化为热，生物样品的组织中的热弹性膨胀产生宽带光声波。超声换能器18在手术视野区域附近远离样品30mm放置并倾斜约15°，超声换能器18收集从生物样品发射的光声波，宽带放大器19将光声波放大，然后将光声信号数字化，将信号存储在处理器5。
激光散斑采集模块包括第一滤光片10和激光散斑采集器，第一滤光片10置于第二分光镜8反射光束出口端，激光散斑采集器获取目标区域的激光散斑并传输至处理器5。激光散斑采集器采用第二光电二极管9，第二光电二极管9可选Thorlabs公司制造的DET10A型光电二极管。另外第二光电二极管9可替代使用高灵敏度激光图像采集器，如CCD(chargecoupled device，电耦合器件)相机、多普勒扫描仪，且多普勒扫描仪可以较直接地得出血流速度。
如图2所示，一种用于脑外科手术的多模态监测方法，该方法基于上述多模态监测系统，该方法包括如下步骤：
(1)光声成像光源和激光散斑成像光源分别发射激光束，共光路扫描模块将2路光源的激光束合并，并传输至目标区域；
(2)激光束照射目标区域的生物样品，当激光脉冲照射生物组织时，光能被组织吸收并转化为热，生物样品的组织中的热弹性膨胀产生宽带光声波，反射的激光经过不同传播路径相干叠加后产生激光散斑；
(3)光声波采集模块采集目标区域的光声波信号，激光散斑采集模块采集目标区域的激光散斑；
(4)处理器5基于采集的光声波信号计算目标区域的血氧分布，同时处理器5基于采集的激光散斑计算目标区域的血流分布；
(5)展示处理器5获取的目标区域的血氧分布和血流分布。
激光散斑成像是利用衬比度的概念来量化散斑的模糊程度的，进而反映散斑颗粒的运动位置和速度，即血流灌注分布和流速。衬比度(K)的基本定义如下：
其中σ代表散斑光强的标准偏差，μ代表光强的平均值。
对原始散斑图像的处理方法主要分为衬比算法，分别通过对散斑的统计特性来得到散射粒子速度信息。血流速度(v)与衬比度(K)的平方分之一成正比，定义如下：
其中，我们为了得到快速实时脑血流速度，采用时间衬比分析(tLASCA)，需连续拍摄和记录多帧散斑图像，对于每一像素点，对不同帧中该点的灰度值数据求平均值μ和标准差σ，再通过作比计算得到时间衬比度值(K)和血流速度(v)。
为保证软件的计算能力适应术中的实时成像要求，本实施例中应用了基于单调点变换的增强激光散斑衬比分析(eLASCA)，减小计算量并提高数据的动态范围，极大的提升了运算速度同时保持数据的有效性。具体过程如下：将三维衬比度值矩阵K2(m,n,l)变形为一维向量f(i)(i＝1,...,M×N×L)，基于单调点变换理论，将随机变量f变换为满足p(fe)≡1的fe，即满足：
其中，常数b为比例系数，v为血流速度。
根据如下公式计算fe，最终将fe重构回三维矩阵Ke 2，进而得到衬比图像。
其中，Numf为衬比度值数据中不大于f的数目。
此外，为了测量脑部功能信息血氧饱和度(sO2)，光声(photoacoustic，PA)成像在适当的光谱范围内执行多波长测量。这与NIRS的方式相同，在NIRS中，非含氧血红蛋白(HbR)和含氧血红蛋白(HbO2)被视为每个波长(λi)的主要光吸收对象。因此，血液吸收系数μa(λi)(cm-1)可以通过公式(1)表示。
εHbR(λi)和
分别是HbR和HbO2在波长λi下的已知消光系数；[HbR]和[HbO2]分别是两种形式的血红蛋白的浓度。由于获取的局部光声信号φ(λix,y,z)的幅度与局部光能沉积成比例，因此可以用φ(λix,y,z)代替μa(λi)来计算[HbR]、[HbO2]的相对值。最小二乘拟合得出公式(2)：
其中：
K是比例系数，它与超声波参数和光通过皮肤时局部光通量的波长相关变化有关。因此，使用公式(3)计算了sO2图像：
由于系数K未知，因此只能从公式(2)计算HbR和HbO2的相对浓度。但是，公式(3)的sO2是绝对测量值。尽管原则上两个波长足以确定sO2，但建议使用更多波长以减少测量误差的影响。公式(2)中使用了已发布的HbR和HbO2摩尔消光系数。
通过本发明的激光扫描光学分辨率光声显微系统能够实现高的扫描速度。在以前已知的成像方式上，高速的扫描转化为更多的数据采集。另外，本系统100可用完整的光栅扫描和其他复杂的扫描方式，其允许对单个血管的局部测量，这转化为改善的可视化和对血管内疾病的检测。
当医生进行如脑外科的切除颅内肿瘤术等需要实时监测手术区域周围血流、血氧情况的外科手术时，激光照射在组织表面，由多模态图像采集单元采集实时变化的激光散斑图像，并传输至与多模态图像采集单元相连的处理器5中。处理器5运用GPU加速的LSI算法计算程序，最终得到实时的血流分布信息，经由处理器5显示在图形用户界面上，医生便可以方便地选择感兴趣区，并由光声快速扫描得到的感兴趣区的三维血氧分布，确保系统的快速运行和稳定使用。图3所示为本实施例中显示的脑血流和血氧示意图。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
Claims (9)
1.一种用于脑外科手术的多模态监测系统，其特征在于，该系统用于脑外科术中血氧、血流分布的多模态监控，该系统包括：
光源模块：包括2路光源，分别为光声成像光源和激光散斑成像光源；
共光路扫描模块：用于将2路光源的激光束合并，并二维扫描目标区域；
光声波采集模块：采集目标区域的光声波信号；
激光散斑采集模块：采集目标区域的激光散斑；
处理器(5)：控制各模块运行，并基于采集的光声波信号计算目标区域的血氧分布、基于采集的激光散斑计算目标区域的血流分布；
显示器(4)：呈现处理器(5)获取的目标区域的血氧分布和血流分布。
2.根据权利要求1所述的一种用于脑外科手术的多模态监测系统，其特征在于，所述的光声成像光源为可调谐脉冲激光器，其光学调谐范围为500nm～700nm。
3.根据权利要求2所述的一种用于脑外科手术的多模态监测系统，其特征在于，所述的光声成像光源包括依次设置的Nd：YLF激光器(1)、第一分光镜(7)和染料激光器(2)，所述的染料激光器(2)输出的激光光束入射至共光路扫描模块。
4.根据权利要求3所述的一种用于脑外科手术的多模态监测系统，其特征在于，所述的光声成像光源还包括激光抖动补偿组件，所述的激光抖动补偿组件包括用于检测Nd：YLF激光器(1)发出的可调脉冲激光束信息的激光检测器，所述的激光检测器连接所述的处理器(5)，所述的处理器(5)配置为根据激光检测器检测的可调脉冲激光束信息对Nd：YLF激光器(1)进行激光抖动补偿。
5.根据权利要求1所述的一种用于脑外科手术的多模态监测系统，其特征在于，所述的激光散斑成像光源包括785nm激光二极管及控制器(3)，所述的激光散斑成像光源输出的激光光束入射至共光路扫描模块。
6.根据权利要求1所述的一种用于脑外科手术的多模态监测系统，其特征在于，所述的共光路扫描模块包括依次设置的第二分光镜(8)、光圈(11)、第三分光镜(12)、扩束镜(13)、准直镜(14)、第二滤波片(15)、x-y振镜扫描仪(16)(16)和物镜(17)(17)，所述的第二分光镜(8)将2路光源的激光束合并，合并后的激光束经处理后照射至目标区域。
7.根据权利要求1所述的一种用于脑外科手术的多模态监测系统，其特征在于，所述的光声波采集模块包括依次连接的超声换能器(18)(18)和宽带放大器(19)(19)，所述的超声换能器(18)(18)置于区域附近并采集目标区域发出的光声波信号，所述的宽带放大器(19)(19)对光声波信号放大后传输至所述的处理器(5)。
8.根据权利要求6所述的一种用于脑外科手术的多模态监测系统，其特征在于，所述的激光散斑采集模块包括第一滤光片(10)和激光散斑采集器，所述的第一滤光片(10)置于所述的第二分光镜(8)反射光束出口端，所述的激光散斑采集器获取目标区域的激光散斑并传输至所述的处理器(5)。
9.一种用于脑外科手术的多模态监测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1～8任意一项所述的多模态监测系统，该方法包括如下步骤：
(1)光声成像光源和激光散斑成像光源分别发射激光束，共光路扫描模块将2路光源的激光束合并，并传输至目标区域；
(2)激光束照射目标区域的生物样品，当激光脉冲照射生物组织时，光能被组织吸收并转化为热，生物样品的组织中的热弹性膨胀产生宽带光声波，反射的激光经过不同传播路径相干叠加后产生激光散斑；
(3)光声波采集模块采集目标区域的光声波信号，激光散斑采集模块采集目标区域的激光散斑；
(4)处理器(5)基于采集的光声波信号计算目标区域的血氧分布，同时处理器(5)基于采集的激光散斑计算目标区域的血流分布；
(5)展示处理器(5)获取的目标区域的血氧分布和血流分布。
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