CN112022089B - 肿瘤组织的成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用生物组织成像技术领域，提供了一种肿瘤组织的成像装置及方法，该装置包括光源、起偏部分、转轮、检偏部分、相机，所述光源、起偏部分、检偏部分、相机沿光路方向分布，所述转轮位于所述起偏部分与所述检偏部分之间；所述转轮用于使所述起偏部分或检偏部分按照预设角度进行旋转，以进行成像方式的切换，所述成像方式包括反射式成像和透射式成像，与现有染色技术相比，对待测肿瘤组织的预处理要求不高，对待测肿瘤组织的大小、形式、透光性的限制更小，测量对象更广泛，可自由实现透射式、反射式的切换，有效提高了装置使用的灵活性和适用性。

Description

肿瘤组织的成像装置及方法

技术领域

本发明属于偏振成像技术领域，尤其涉及一种肿瘤组织的成像装置及方法。

背景技术

临床中对肿瘤组织的观测一般采用染色切片镜下观测的形式，需取部分有病变的组织或者脏器，经过处理使之固定硬化后切片并染色，通过光学显微镜观察病理变化，病理医师阅片后做出病理诊断。由于组织或细胞的性质不同，不同成分的组织对染色剂的亲和力不同，染色后不同组织出现不同的颜色表现，从而病理医师可以在染色后判断肿瘤组织的病理情况。

偏振是光的四种固有属性之一，由于人眼对偏振的不敏感，使得长期以来物体的偏振特性并没有被人们所重视。物体的偏振特征所包含的信息量并不亚于颜色、光强特征，甚至在矿石、星体、生物组织、大气溶胶等物质的检测上，偏振特征反应的大部分信息是光的其他属性所不能体现的。由于肿瘤组织的微观结构特性与正常组织存在较大差异，不同性质的组织与光发生的相互作用迥然不同，表现出来的偏振特性差异可由计算机处理出较强的伪彩颜色差异，功能与染色剂类似。

自20世纪末以来，国外有学者开始使用偏振差、偏振度等信息来对人皮肤进行检测，发现特定条件下，皮肤的某些病变信息会被强烈地体现出来，2014年我们课题组曾经提出一种基于偏振度的肿瘤组织成像装置【黄丹飞，陈俊强，一种皮肤肿瘤成像装置[P]，吉林：CN204287028U,2015-04-22.】，但偏振度的表现力太单薄，不能完备地表征偏振信息。由于偏振度、偏振差信息对偏振特性的表征不够全面，学者们又陆续开发了穆勒矩阵的偏振特性表征方式。国内清华大学的深圳研究院是其中的代表，2014年他们发布了一种结合内窥镜的穆勒矩阵成像装置【马辉,常金涛,曾楠.偏振成像内窥镜系统及内窥成像方法[P].广东：CN104161493A,2014-11-26.】，2017年又发布了一种头端调制基于穆勒矩阵的偏振成像内窥装置【吴剑,付轶帆,黄志文,何宏辉.一种头端调制的内窥偏振成像系统及测量方法[P].广东：CN106725250A,2017-05-31.】，但仅能实现反射式成像，但无法实现对透明物体的透射式成像，导致灵活性不高，且其中使用的液晶相位延迟器成本过高。

因此，快捷方便、使用灵活、不影响组织结构的“光学染色”肿瘤组织成像方法及装置显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种肿瘤组织的成像装置及方法，旨在解决现有技术中“光学染色”肿瘤组织成像装置的灵活性不高的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种肿瘤组织的成像装置，其特征在于，所述装置包括光源、起偏部分、转轮、检偏部分、相机，所述光源、起偏部分、检偏部分、相机沿光路方向分布，所述转轮位于所述起偏部分与所述检偏部分之间；

所述转轮用于使所述起偏部分或检偏部分按照预设角度进行旋转，以进行成像方式的切换，所述成像方式包括反射式成像和透射式成像。

优选的，所述起偏部分包括沿光路方向的第一偏振片和第一1/4波片，所述检偏部分包括沿光路方向的第二1/4波片和第二偏振片。

优选的，所述装置还包括电动旋转台，所述电动旋转台用于控制第一1/4波片或第二1/4波片旋转。

优选的，所述装置还包括波片旋转控制模块，所述波片旋转控制模块与所述电动旋转台通讯连接，所述波片旋转控制模块用于向所述电动旋转台发送旋转控制指令，控制第一1/4波片或第二1/4波片旋转。

优选的，所述装置设置有开关，通过所述开关的断开和闭合控制所述起偏部分或检偏部分的旋转方向。

优选的，所述相机为CCD或CMOS成像相机。

优选的，所述相机黑白相机或彩色相机。

优选的，所述装置还包括导轨，所述导轨与所述转轮连接。

第二方面，本发明提供了一种肿瘤组织的成像方法，包括：

在待测肿瘤组织放置于转轮上时，根据所述待测肿瘤组织的透光情况选择成像方式，所述成像方式包括反射式成像和透射式成像；

通过相机拍摄所述待测肿瘤组织的初始状态偏振信息；

根据波片旋转控制模块发送的旋转控制指令，控制起偏部分和检偏部分中波片的旋转，并依次拍摄偏振状态图像；

根据所述偏振状态图像计算所述待测肿瘤组织的穆勒矩阵，生成相应的穆勒矩阵图像，以进行光学染色。

优选的，所述“根据波片旋转控制模块发送的旋转控制指令，控制起偏部分和检偏部分中波片的旋转，并依次拍摄偏振状态图像”的步骤包括：

根据波片旋转控制模块发送的旋转控制指令，起偏部分和检偏部分中波片分别按照6°/次、30°/次的角度进行旋转，并通过相机拍摄每次旋转后的偏振状态图像。

本发明示出的肿瘤组织的成像装置采用反射式成像和透射式成像方式向结合，与现有染色技术相比，对待测肿瘤组织的预处理要求不高，对待测肿瘤组织的大小、形式、透光性的限制更小，测量对象更广泛，可自由实现透射式、反射式的切换，有效提高了装置使用的灵活性和适用性。

附图说明

图1是实施例一示出的透射式成像时肿瘤组织的成像装置的结构示意图。

图2是实施例一示出的反射式成像时肿瘤组织的成像装置的结构示意图。

图3是本发明实施例二示出的肿瘤组织的成像方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1-2示出本实施例提供的肿瘤组织的成像装置。如附图1、2所示，本实施例提供的肿瘤组织的成像装置包括光源1、起偏部分2、转轮3、检偏部分5、相机6。

光源1、起偏部分2、检偏部分5、相机6沿光路方向分布，所述转轮3位于所述起偏部分2与所述检偏部分5之间。

所述转轮3用于使所述起偏部分2或检偏部分5按照预设角度进行旋转，以进行成像方式的切换，所述成像方式包括反射式成像和透射式成像。

图1是实施例一示出的透射式成像时肿瘤组织的成像装置的结构示意图，图2是实施例一示出的反射式成像时肿瘤组织的成像装置的结构示意图。

通过实施例一示出的肿瘤组织的成像装置，结合了透射式与反射式的成像方式，无论肿瘤组织是厚或薄、透光性的好坏，均可根据需要选择透射式或反射式的成像方式，例如，当肿瘤组织较厚、透光性差时采用反射式成像方式，当肿瘤组织较薄或透明度较高时采用透射式成像方式，从而大大提高了“光学染色”肿瘤组织成像装置的灵活性。

具体的，光源1为均匀的LED面光源，前覆盖与偏振片口径一致的光阑，且光波长与波片相匹配，光源均匀照射至待测肿瘤组织上发生反射或透射，使用时亦可根据实际需要选择成像方式。

起偏部分2沿光线传播方向为第一偏振片P1和第一1/4波片R1；检偏部分5沿光线传播方向为第二1/4波片R2和第二偏振片P2。第一1/4波片R1和第二1/4波片R2均可按照预置角度旋转，从而配合静止的偏振片实现对出射光偏振态的调制、对入射光偏振态的检测。

可选的，第一1/4波片R1和第二1/4波片R2可由电动旋转台带动按预置角度旋转。

可选的，所述装置还包括波片旋转控制模块8，波片旋转控制模块8与所述电动旋转台通讯连接，所述波片旋转控制模块8用于向所述电动旋转台发送旋转控制指令，控制第一1/4波片或第二1/4波片旋转。

转轮3处设置有开关，导轨弯曲、平行使开关进行布尔运算，开关断开、闭合分别对应波片的正反两种旋转方式。通过所述开关的断开和闭合控制所述起偏部分2或检偏部分5按照预设角度进行旋转。例如，通过开关控制电动旋转台的工作，进而控制波片的旋转。

需要说明的是，切换旋转方式的操作可在起偏部分2或检偏部分5进行，由于本装置中起偏部分旋转角度较小、累积误差较少，故在更换成像方式时选择对起偏部分进行旋转方向切换。

4为待测肿瘤组织，可使用切片或者组织块，但不仅受限于上述形式(不排除用于活体检测)，对于过大的组织可以切块分批成像并配合使用广角镜头，有特殊观测要求可选用显微镜头，同时可以在导轨上调节元器件间相对位置实现对焦。

相机6包括但不限于CCD、CMOS成像相机，由于普通波片工作波段较为单一，成像装置选用黑白相机即能满足成像需求，且在感光芯片参数相同的前提下黑白相机分辨率更高。若第一1/4波片或第二1/4波片选用消色差波片，则可配合使用彩色相机。另外，相机镜头可根据肿瘤组织情况和观测需求选用广角、长焦、显微镜头等。

可选的，所述装置还包括导轨7，所述导轨7包括与所述转轮3连接的两架导轨，导轨上所有光学元件与待测肿瘤组织高度一致，且光学元器件的中心位置在同一条光路上，通过可滑动的光具座将光学器件集成于一体。

可选的，导轨上安装有限位器，从而防止出现两导轨间夹角过小导致的元器件间相互碰撞。

计算机9处理部分与波片旋转控制装置8进行通信，向波片旋转控制装置8发送旋转指令，并给相机发送拍摄指令。波片旋转控制装置8接收旋转指令后，控制装置中开关的通断，进而控制电动旋转台的旋转方向，以控制起偏部分或检偏部分中波片的旋转方向，并通过相机6采集图像，最终得到各角度时的偏振状态图像。

由于采用反射式成像和透射式成像方式向结合，与现有染色技术相比，对待测肿瘤组织的预处理要求不高，对待测肿瘤组织的大小、形式、透光性的限制更小，测量对象更广泛，可自由实现透射式、反射式的切换，有效提高了装置使用的灵活性和适用性。

实施例二：

附图3为实施例二示出的肿瘤组织的成像方法的实现流程图。实施例二示出的肿瘤组织的成像方法适用于肿瘤组织的成像装置。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

步骤S110，在待测肿瘤组织放置于转轮上时，接收根据所述待测肿瘤组织的透光情况而选择的成像方式，所述成像方式包括反射式成像和透射式成像。

步骤S120，通过相机拍摄组织所述待测肿瘤组织的初始状态偏振信息。

步骤S130，根据波片旋转控制模块发送的旋转控制指令，控制起偏部分和检偏部分中波片的旋转，并依次拍摄偏振状态图像。

步骤S140，根据所述偏振状态图像计算所述待测肿瘤组织的穆勒矩阵，生成相应的穆勒矩阵图像，以进行光学染色。

具体实施过程中，光源强度可选用信号发生器进行控制，若光源LED阵列欠均匀，可选用毛玻璃进行匀光，以保证待测组织均匀受光。

两偏振片P1、P2全程保持透光轴与水平方向平行，无需转动，初始状态下两个1/4波片R1、R2的快轴与水平方向平行。

相机可根据肿瘤组织观测需要选用不同的物镜镜头，同时在导轨上滑动相机选择最佳成像距离。

相机采集肿瘤组织的初始状态图像后，电机开始旋转，带动起偏部分和检偏部分中的两波片以1:5的角度同方向进行旋转，旋转角以水平方向为参考面，起偏部分波片R1从0°开始每次旋转6°，检偏部分波片R2从0°开始每次旋转30°，单次旋转完成后，电机暂停转动，相机采集当前状态偏振图像。

穆勒矩阵的计算要求起偏部分和检偏部分波片旋转的角度成倍数关系，例如，起偏部分旋转180°/次，检偏部分旋转900°/次。在具体使用过程中，起偏部分和检偏部分波片旋转的角度也可为其它角度。

循环进行旋转和拍摄过程直至采集30幅肿瘤组织偏振图像，单组穆勒矩阵成像时间小于等于两分钟。

穆勒矩阵测量原理可描述为：

S_out＝P₂R₂MR₁P₁S_in (1)

其中，S_out表示出射光的斯托克斯矢量，S_in表示入射光的斯托克斯矢量，其它字母均表示穆勒矩阵。斯托克斯矢量是一种简单的描述光波偏振态的数学表达形式，为一个包含四个参数的列向量，用[S₀ S₁ S₂ S₃]^T表示，也常写作[I Q U V]^T。斯托克斯矢量中四个参量都是光强的时间平均值，可以完备表征偏振光的偏振状态。斯托克斯参量与光的电矢量的X方向分量振幅与Y方向分量的振幅及相位差的关系如下：

四个参量中S₀代表光波的总强度，S₁代表0°和90°方向上线偏振光分量的光强差，S₂为45°方向上线偏振光分量与135°方向上线偏振光分量的光强差，S₃为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的光强差。E_P和E_S分别为X与Y方向上分量的振幅，δ为两分量的相位差。当S₀ ²＝S₁ ²+S₂ ²+S₃ ²时为完全偏振光，当0<S₁ ²+S₂ ²+S₃ ²<S₀ ²时为部分偏振光，当S₁ ²+S₂ ²+S₃ ²＝0时为完全非偏振光。

斯托克斯矢量通常和穆勒矩阵一起表征偏振光的偏振态，穆勒矩阵为一个4×4的矩阵，用M表示，主要表征物体对偏振光特性的作用，即物体的偏振特性。斯托克斯矢量与穆勒矩阵之间的关系为S_out＝MS_in，将该式子展开表达式如下：

在本装置中通过S_in和S_out计算得出的穆勒矩阵还包含起偏部分及检偏部分的信息，如式(1)所示，将式(1)表示成乘积形式有：

S_out＝AMP(4)

其中，A_＝P₂R₂；P＝R₁P₁S_in；M为一个4×4的矩阵记为(m_ij)，而i，j等于1，2，3，4；S_out和S_in又分别为：

P₁和P₂分别为：

波片的穆勒矩阵记为R如表达式(7)：

其中，θ是波片的快轴与水平方向的夹角，δ是波片的相位延迟量，而装置中使用的1/4波片的相位延迟量为：

由此可以求得R₁(θ)和R₂(5θ)分别如矩阵表达式(9)与(10)：

从而可以求得A与P分别为矩阵表达式(11)与(12)：

由公式可知相机探测到的光强是出射光斯托克斯矢量的第一个分量，所以探测目标散射的光强可由式(13)来表示：

c表示相机的探测灵敏度，a_i为A的第一行元素，p_j为P的所有元素。经过计算得：

将(14)式表示成(15)的形式：

再通过公式变换得：

从u_ij的表达式可以看出，光强I能够用傅里叶级数的形式表示如下：

由此可以得到傅里叶系数即a₀-a₁₂，b₁-b₁₂与穆勒矩阵元素成函数关系如表1所示：

表1 a₀-a₁₂，b₁-b₁₂与穆勒矩阵元素的关系

再通过进一步反演计算推导出穆勒矩阵各元素与光强傅里叶系数的代数关系，下式(18)即为用25个傅里叶系数之间的相互运算表示16个矩阵元的函数关系式。所以，求出光强的傅里叶系数便可求出介质的穆勒矩阵。

根据式(18)，25个光强傅里叶系数可由30个光强信号与30个角度相关的矩阵合并求解出来，即：

把上述矩阵行式设成I＝DA，则A＝D^-1I。由于矩阵D是一个30行25列的矩阵，并非方阵，故不可直接求其逆矩阵，可通过以下求伪逆的方法，将矩阵A加以求解[38]。

A＝(D^TD)^-1D^TI (20)

获取矩阵A后，便能够得到光强的傅里叶系数，再将其带入公式(18)即可求出穆勒矩阵的16个元素。将上述过程编写成软件并配合上述硬件使用，即可得到待测肿瘤组织的穆勒矩阵图像，加以伪彩显示，即实现了肿瘤组织的“光学染色”。

与现有染色技术相比，对待测组织的预处理要求不高，对待测组织的大小、形式、透光性的限制更小，测量对象更广泛；与现有穆勒矩阵成像方式相比，可实现透射、反射式切换，使用更灵活。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种肿瘤组织的成像装置，其特征在于，所述装置包括光源、起偏部分、转轮、检偏部分、相机，所述光源、起偏部分、检偏部分、相机沿光路方向分布，所述转轮位于所述起偏部分与所述检偏部分之间；

所述转轮用于使所述起偏部分或检偏部分按照预设角度进行旋转，以进行成像方式的切换，所述成像方式包括反射式成像和透射式成像；

所述装置还包括与所述转轮连接的两架导轨，所述导轨上所有光学元件的高度与待测肿瘤组织一致，且光学元器件的中心位置在同一条光路上，通过可滑动的光具座将光学器件集成于一体；

所述起偏部分包括沿光路方向的第一偏振片和第一1/4波片；

所述装置还包括电动旋转台，所述电动旋转台用于控制第一1/4波片旋转；

所述转轮处设置有开关，通过所述开关的断开和闭合，在更换成像方式时驱动所述电动旋转台切换所述第一1/4波片的旋转方式。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检偏部分包括沿光路方向的第二1/4波片和第二偏振片。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电动旋转台还用于控制第二1/4波片旋转。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括波片旋转控制模块，所述波片旋转控制模块与所述电动旋转台通讯连接，所述波片旋转控制模块用于向所述电动旋转台发送旋转控制指令，控制第一1/4波片或第二1/4波片旋转。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置设置有开关，通过所述开关的断开和闭合控制所述起偏部分或检偏部分的旋转方向。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相机为CCD或CMOS成像相机。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相机为黑白相机或彩色相机。

8.一种在如权利要求1-7任意一项所述的装置上实施的肿瘤组织的成像方法，其特征在于，所述方法包括：

在待测肿瘤组织放置于转轮上时，根据所述待测肿瘤组织的透光情况选择成像方式，所述成像方式包括反射式成像和透射式成像；

通过相机拍摄所述待测肿瘤组织的初始状态偏振信息；

根据波片旋转控制模块发送的旋转控制指令，控制起偏部分和检偏部分中波片的旋转，并依次拍摄偏振状态图像；

根据所述偏振状态图像计算所述待测肿瘤组织的穆勒矩阵，生成相应的穆勒矩阵图像，以进行光学染色。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述“根据波片旋转控制模块发送的旋转控制指令，控制起偏部分和检偏部分中波片的旋转，并依次拍摄偏振状态图像”的步骤包括：

根据波片旋转控制模块发送的旋转控制指令，起偏部分和检偏部分中波片分别按照6°/次、30°/次的角度进行旋转，并通过相机拍摄每次旋转后的偏振状态图像。

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