CN113440250A - 基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，本发明首次通过测量离体猪肝组织微波消融前后的近红外光谱和光学特性，定量分析肝组织在微波消融热损伤过程的散射特性变化及其与组织损毁程度的关联，并采用漫反射光谱计算约化散射系数，分析微波消融后不同消融区域组织的约化散射系数分布特点，发现其与消融损伤程度密切关联，且不同区域组织的约化散射系数具有各自固定的数值，在此基础上，建立了基于约化散射系数的微波消融区域界定模型。本发明可以实现微波消融术中微创实时疗效评估，对于临床微波消融治疗效果评判以及消融边界界定具有重要价值。

Description

基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法
技术领域
本发明涉及微波消融疗效评估技术领域，尤其涉及一种基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法
背景技术
微波消融时当今治疗肿瘤的重要方法之一，并获得了良好的临床效果，是一项快速发展的新型肿瘤治疗技术已经在临床上发挥了重要的作用，但目前微波消融技术由于其不可见性，因此对于术中疗效和消融边界的判别往往依靠的是操作医生的手术经验，在消融过程中存在一定的安全隐患，寻找能够正确判别消融边界界定的有效参数，使其能在消融过程中反映肿瘤消融情况。
生物组织的光学特性能够反映组织内部的物质和结构特征，微波消融前后生物组织反映的光谱和光学参数变化能够反映消融组织中蛋白质结构变化的情况.光在生物组织内传输时会产生吸收、散射、反射、折射等过程，在由于在600nm～900nm左右的波长范围内，光对组织的穿透性较强，因此这一波段也称为近红外光窗，采用这一波段的近红外光能够更加准确的分析组织消融前后对光的散射特性。约化散射系数μ's是各项异性因子表示光在组织中发生的不同方向的散射。
已有研究证明700～850nm区域的漫反射光谱具有良好的线性度，实验以在690nm处测得的μ's为标准，利用公式μ's(690nm)＝48.51·exp(0.43·Slope700-850)-25.73进行μ's的实时计算。
现在还没有能够通过约化散射系数界定消融边界的标准。
发明内容
为了解决目前消融边界无法界定的问题，本发明提出了基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，该方法实现了约化散射系数与消融区域的定量关系界定。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，在微波消融过程中根据组织的约化散射系数μ’s实现实时疗效评估，并界定消融区域边界，包括以下步骤：
S1、搭建近红外光谱采集与微波消融系统；
S2、消融与近红外光谱数据采集；
S3、获取微波消融不同区域的近红外光学参数；
S4、建立了基于约化散射系数μ’s的微波消融区域界定模型；
所述步骤S4中，通过采集消融组织不同区域的约化散射系数μ’s，发现正常组织的约化散射系数μ's为2cm-1-6cm-1，充血带组织-消融边界状态时的约化散射系数μ's为6cm-1-16cm-1，凝固组织的约化散射系数μ's为16cm-1-19cm-1，建立了基于约化散射系数的微波消融区域边界界定模型；
S5、模型验证：
所述步骤S5中，建立了基于约化散射系数μ’s的微波消融区域界定模型后，通过离题猪肝实验进行验证，利用搭建的基于组织约化散射系数μ’s的微波消融区域界定装置，进行消融组织不同区域的近红外光学参数测量的十组实验，实验过程中进行数据采集与记录求取不同区域约化散射系数μ’s的平均值进行模型验证。
进一步的，所述步骤S1中搭建的近红外光学参数采集于微波消融系统包括：微波消融模块，约化散射系数测量模块，数据采集与存储模块。
进一步的，所述微波消融模块包括微波消融仪7、离体猪肝5和消融针6；所述温度与约话散射系数测量模块包括光纤探头1、近红外光源2和光纤光谱仪4；所述数据采集与存储系统包括系统上位机3。
进一步的，所述光纤探头1、光纤光谱仪4和系统上位机3依次相连，所述微波消融仪7和微波消融针6互相连接，所述光纤探头1还与近红外光源2相连接；所述光纤探头1和微波消融针6插入待测离体猪肝组织5内。
进一步的，所述光纤探头1为Y型光纤，所述光纤光谱仪4为USB2000光纤光谱仪，所述近红外光源2为HL2000卤素光源，所述微波消融针6为KY-2450-B1微波消融针，所述微波消融仪7为2450MHZ、915MHZ双频微波源。
进一步的，所述光纤探头1和微波消融针6在离体猪肝组织5内平行设置。
进一步的，所述步骤S2中消融与近红外光谱数据采集即在微波消融过程中选择需要测量与消融的组织将消融针与光纤探针插入到待测组织中，设置合适的功率时间后开始消融启动数据采集模块。
进一步的，所述步骤S3中，获取微波消融不同区域的近红外光学参数，通过设置光纤与微波消融针之间的距离选择10mm、15mm、20mm；得到微波消融不同区域的约化散射系数μ’s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明建立了一种基于约化散射系数界定微波消融边界模型，在消融过程中通过接收近红外光学参数，可以判断光纤所在组织的消融情况，进而界定消融区域的边界。
本发明对微波消融过程中的实施疗效情况和消融区域边界界定具有重要的作用，通过术中约化散射系数进行消融区域的边界界定有重要的参考价值。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本实施例2所涉及的离体猪肝微波消融与近红外光学参数采集装置原理图；
图3是本实施例2中的方法所测量的消融区域剖面及其表面μ's分布。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
一种基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，在微波消融过程中根据组织的约化散射系数μ’s实现实时疗效评估，并界定消融区域边界，包括以下步骤：
S1、搭建近红外光谱采集与微波消融系统；
所述步骤S1中搭建的近红外光学参数采集于微波消融系统包括：微波消融模块，约化散射系数测量模块，数据采集与存储模块。所述微波消融模块包括微波消融仪7、离体猪肝5和消融针6；所述温度与约话散射系数测量模块包括光纤探头1、近红外光源2和光纤光谱仪4；所述数据采集与存储系统包括系统上位机3。所述光纤探头1、光纤光谱仪4和系统上位机3依次相连，所述微波消融仪7和微波消融针6互相连接，所述光纤探头1还与近红外光源2相连接；所述光纤探头1和微波消融针6插入待测离体猪肝组织5内。所述光纤探头1为Y型光纤，所述光纤光谱仪4为USB2000光纤光谱仪，所述近红外光源2为HL2000卤素光源，所述微波消融针6为KY-2450-B1微波消融针，所述微波消融仪7为2450MHZ、915MHZ双频微波源。所述光纤探头1和微波消融针6在离体猪肝组织5内平行设置。
S2、消融与近红外光谱数据采集；
所述步骤S2中消融与近红外光谱数据采集即在微波消融过程中选择需要测量与消融的组织将消融针与光纤探针插入到待测组织中，设置合适的功率时间后开始消融启动数据采集模块。
S3、获取微波消融不同区域的近红外光学参数；
所述步骤S3中，获取微波消融不同区域的近红外光学参数，通过设置光纤与微波消融针之间的距离选择10mm、15mm、20mm；得到微波消融不同区域的约化散射系数μ’s。
S4、建立了基于约化散射系数μ’s的微波消融区域界定模型；
所述步骤S4中，通过采集消融组织不同区域的约化散射系数μ’s，发现正常组织的约化散射系数μ's为2cm-1-6cm-1，充血带组织(消融边界)状态时的约化散射系数μ's为6cm-1-16cm-1，凝固组织的约化散射系数μ's为16cm-1-19cm-1，建立了基于约化散射系数的微波消融区域边界界定模型；
S5、模型验证：
所述步骤S5中，建立了基于约化散射系数μ’s的微波消融区域界定模型后，通过离题猪肝实验进行验证，利用搭建的基于组织约化散射系数μ’s的微波消融区域界定装置，进行消融组织不同区域的近红外光学参数测量的十组实验，实验过程中进行数据采集与记录求取不同区域约化散射系数μ’s的平均值进行模型验证。
实施例2
如图1所示，一种基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，在微波消融过程中根据组织的约化散射系数实现实时疗效评估，并界定消融区域边界，包括以下步骤：
S1、搭建近红外光谱采集与微波消融系统；
S2、消融与近红外光谱数据采集；
S3、获取微波消融不同区域的近红外光学参数；
S4、建立了基于约化散射系数的微波消融区域界定模型；
S5、模型验证。
如图2是本发明的实施例所提供的一种基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法所涉及的离体猪肝微波消融与近红外光学参数采集装置原理图；优选的，1为Y型光纤，2为HL2000卤素光源，3为系统上位机，4为USB2000光纤光谱仪，5为离体猪肝组织，6为KY-2450-B1微波消融针，7为2450MHZ、915MHZ双频微波源。
微波消融模块包括2450MHZ、915MHZ双频微波源、主控板和KY-2450-B1微波消融针；约化散射系数测量模块包括Y型光纤、USB2000光纤光谱仪和HL2000卤素光源；数据采集与存储系统包括系统上位机。
实验利用新鲜的离体猪肝，将微波消融针6插入肝脏8cm处，将光纤探针1插入肝组织与消融针平行放置，确保消融针与光纤探针在肝实质内，为了便于在微波消融过程中分析不同消融组织的光谱信息，需要较大的微波消融区域，因此将功率设置为70W，消融时间为5到10min来得到较大的消融区域。每次实验光纤与消融针的平行距离各不相同，分别为10mm、15mm、20mm，开始消融后开启数据采集并保存模式。
如图3(a)和(b)所示，微波功率70W分别消融5min和10min后的肝组织剖面呈现典型的消融区域特征，沿着图3中a、b白色虚线测量剖面的约化散射系数的值，结果如图3(c)和图3(d)所示，μ's从正常组织到消融区域存在明显变化，说明μ's的值与肝组织损伤程度密切相关。进一步地，在消融区域每隔3mm测得的μ's值绘制平面图，结果分别如图3(e)和图3(f)所示。由μ's的分布图可以观察到，其数值与图3(a)和图3(b)的消融区域形态吻合良好。
如表1所示，其中，消融区域中发现正常组织μ's约为2cm-1-6cm-1，充血带组织(消融边界)状态时的约化散射系数μ's约为6cm-1-16cm-1，凝固组织的约化散射系数μ's约为16cm-1-19cm-1，碳化区黑色焦黑区域因为组织的凝结和严重变性，约化散射系数μ's值变化范围较大。
表1基于组织约化散射系数边界界定模型
Figure BDA0003090651080000061
如表2所示是本发明的实施例所提供的基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法与装置验证模型的实验结果。实验共分为十组，在实验过程中分别记录消融组织不同区域的约化散射系数，并求出不同区域的平均值进行实验验证。从验证实验结果看，验证组实验结果与本发明建立的组织约化散射系数的消融界定模型均相匹配。
表2消融区域约化散射系数数据对比
实验组 正常组织 凝固组织 消融边界
1 5.3 17.8 15.5
2 4.6 18.1 14.2
3 5.6 16.9 13.9
4 5.8 16.2 12.7
5 4.3 17.7 12.8
6 5.5 17.3 12.8
7 3.9 17.3 13.6
8 5.2 16.5 14.5
9 5.5 16.7 13.8
10 5.7 16.9 13.6
本发明公开了一种基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法。本发明首次通过测量离体猪肝组织微波消融前后的近红外光谱和光学特性，定量分析肝组织在微波消融热损伤过程的散射特性变化及其与组织损毁程度的关联，并采用漫反射光谱计算约化散射系数，分析微波消融后不同消融区域组织的约化散射系数分布特点，发现其与消融损伤程度密切关联，且不同区域组织的约化散射系数具有各自固定的数值，在此基础上，建立了基于约化散射系数的微波消融区域界定模型。本发明可以实现微波消融术中微创实时疗效评估，对于临床微波消融治疗效果评判以及消融边界界定具有重要价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，其特征在于：在微波消融过程中根据组织的约化散射系数μ′s实现实时疗效评估，并界定消融区域边界，包括以下步骤：
S1、搭建近红外光谱采集与微波消融系统；
S2、消融与近红外光谱数据采集；
S3、获取微波消融不同区域的近红外光学参数；
S4、建立了基于约化散射系数μ′s的微波消融区域界定模型；
所述步骤S4中，通过采集消融组织不同区域的约化散射系数μ′s，发现正常组织的约化散射系数μ's为2cm-1-6cm-1，充血带组织状态时的约化散射系数μ's为6cm-1-16cm-1，凝固组织的约化散射系数μ's为16cm-1-19cm-1，建立了基于约化散射系数的微波消融区域边界界定模型；
S5、模型验证：
所述步骤S5中，建立了基于约化散射系数μ′s的微波消融区域界定模型后，通过离题猪肝实验进行验证，利用搭建的基于组织约化散射系数μ′s的微波消融区域界定装置，进行消融组织不同区域的近红外光学参数测量的十组实验，实验过程中进行数据采集与记录求取不同区域约化散射系数μ′s的平均值进行模型验证。
2.根据权利要求1所述的基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，其特征在于：所述步骤S1中搭建的近红外光学参数采集于微波消融系统包括：微波消融模块，约化散射系数测量模块，数据采集与存储模块。
3.根据权利要求2所述的基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，其特征在于：所述微波消融模块包括微波消融仪(7)、离体猪肝(5)和消融针(6)；所述温度与约话散射系数测量模块包括光纤探头(1)、近红外光源(2)和光纤光谱仪(4)；所述数据采集与存储系统包括系统上位机(3)。
4.根据权利要求3所述的基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，其特征在于：所述光纤探头(1)、光纤光谱仪(4)和系统上位机(3)依次相连，所述微波消融仪(7)和微波消融针(6)互相连接，所述光纤探头(1)还与近红外光源(2)相连接；所述光纤探头(1)和微波消融针(6)插入待测离体猪肝组织(5)内。
5.根据权利要求4所述的基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，其特征在于：所述光纤探头(1)为Y型光纤，所述光纤光谱仪(4)为USB2000光纤光谱仪，所述近红外光源(2)为HL2000卤素光源，所述微波消融针(6)为KY-2450-B1微波消融针，所述微波消融仪(7)为2450MHZ、915MHZ双频微波源。
6.根据权利要求4所述的基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，其特征在于：所述光纤探头(1)和微波消融针(6)在离体猪肝组织(5)内平行设置。
7.根据权利要求1所述的基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，其特征在于：所述步骤S2中消融与近红外光谱数据采集即在微波消融过程中选择需要测量与消融的组织将消融针与光纤探针插入到待测组织中，设置功率时间后开始消融启动数据采集模块。
8.根据权利要求1所述的基于组织约化散射系数的微波消融区域界定方法，其特征在于：所述步骤S3中，获取微波消融不同区域的近红外光学参数，通过设置光纤与微波消融针之间的距离选择10mm、15mm、20mm；得到微波消融不同区域的约化散射系数μ′s。
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乔雪梅: "肿瘤微波热消融疗效评估及手术计划", 《硕士学位论文》 *
徐雅: "功能近红外微波热消融疗效评估", 《硕士学位论文》 *

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CN113440250B (zh) 2023-01-06

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