CN114699044A - 基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统。其特征是：它由光控模块(1)、宽光谱可调光源(2)、聚光透镜(3)、第一耦合器(4)、传输光纤(5)、光路切换器(6)、照射通路光纤(7)、测量通路光纤(8)、第二耦合器(9)、斜角度光束出射光纤(10)、皮肤光斑采集固定装置(11)、光斑检测传感器(12)、光电探测器(13)、光功率测量模块(14)、数据分析模块(15)和显示单元(16)组成。本发明可用于皮下组织内不同波长和强度的光束的传播特性参数进行多维度获取、分析和建模，可对皮肤病变尚未在皮肤表面呈现症状的早期阶段及时诊断，可广泛用于皮肤组织病变诊断等领域。

Description

基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统，可用于皮肤在表皮和皮下发生早期病变的无创诊断，属于皮肤病变诊断装置技术领域。

(二)背景技术

无创皮肤病变检测的优点是对人体无影响，安全性较高。皮肤病变发生在皮肤表皮、真皮和皮下组织三个层面。目前皮肤病变的诊断分为两种，一种是对病灶区域取组织活检或者利用无创无接触方式进行观测。近年来，为了减轻患者痛苦，无创检测法蓬勃发展，目前常见的无创皮肤病变检测有皮肤镜、5-氦基酮戊酸荧光定位、反射光共聚集显微镜以及高频超声波法。其中，皮肤镜依赖医护人员的肉眼观察，只能观测到表皮层的病变；5-氦基酮戊酸荧光定位法可根据荧光强度标定肿瘤组织和正常组织的界限；反射光共聚集显微镜以830nm半导体激光对表皮和真皮浅层聚焦实现动态扫描取样；高频超声波法利用线状强回声和低回声来检测真皮层和表皮层是否有范围较大的异常。以上几种无创的皮肤病变检测方法主要是用于病状较为明显的皮肤表层病变的观察与诊断，往往不能满足人们对早期皮肤病变的检测。皮肤的病变是一个多因素、多阶段发展的过程，例如p16蛋白、细胞周期蛋白在鳞状细流体胞癌发展到有明显表皮层症状之前的含量会发生变化，基底细胞癌的病理学类型不仅仅有浅表型、结节溃疡型等早期表皮有症状的类型，也有囊性型、微小结节型等早期症状不明显的类型。但是他们早期共同的病例特性都会体现在瘤体基底样细胞的胞浆少、肿瘤细胞排列分布呈栅栏状、肿瘤周围结缔组织基质增生且有较多成纤维细胞。这些病例特征无法使用目前已有的无创诊断方式发现或定性、甚至定量分析。因此，能够使用一种能够穿透表皮，并且能够获取皮下组织某些物理量变化参数，即可能够在皮肤病变的早期及时发现。

生物组织的形态和结构较为复杂，但是同一种结构又有相同的特性。生物组织可以看作是由体液、不同的细胞和细胞间质组成。生物组织中的蛋白质、脂肪线粒体等物质由于属于大分子物质，对光子的散射作用明显，而血管内高蛋白、黑色素、细胞色素等对光的吸收作用比较明显。皮肤的表皮、真皮和皮下组织这三层组织，每一层组织的光学参数相近，可以看成是等效三层组织模型。光束照射到组织上，由于不同层的组织之间、空气和组织之间的组织折射率不同，会在一侧组织界面产生组织的镜式反射和漫反射，在另一侧又会产生折射和内散射，同时生物组织的各类介质会对光有不同程度的吸收作用。通过此原理，利用这种光学特性，能够将不同波长的不同功率的光以一定规律，倾斜照射到组织，并通过特定的技术手段从较近区域读取最后出射的光斑，并加以分析，即能够读取到该部分皮肤多层组织的内部物质和细胞排布发生的变化。

在实际皮肤病变检测应用中，尤其是在皮肤癌变检测中，通常需要尽早能够发现有病变情况的产生。然而，对于传统的无创皮肤病变检测系统，受到其原理的限制，只能通过表皮层的显著症状进行诊断，无法较为准确且及时地对早期病变进行诊断。

为解决上述问题，2018年西北大学的王爽等人公开了一种手持式皮肤癌变早期光学检测装置及其使用方法(中国专利号：201811436164.3)。该专利通过对皮肤进行荧光成像分析，得到组织图像确定疑似癌变位置，再利用单点拉曼光谱检测癌变组织光谱信息，分析是否产生癌变。2020年中国科学院上海光学精密机械研究所的刘世杰等人公开了一种基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测方法和检测装置(中国专利号：202010017917.8)，基于皮肤浅表层漫反射光和皮肤亚表层散射光偏振态的不同，结合微偏振片阵列，实时获取皮肤病变高对比度图像，能够穿透皮肤亚表层获取皮肤病变的偏振图像。

此外，2021年上海市第一人民医院的俞晔等人公开了一种基于红外成像的皮肤癌筛查系统(中国专利号：202110776658.1)，利用红外成像技术和图像采集模块共同采集皮肤图像，对输入的伪彩色热图进行校正处理，并确定疑似病变区。该方法利用癌细胞相比普通正常细胞更活跃，即癌细胞区域比正常区域温度略高，从而对早期皮肤癌症进行诊断。该方法克服了CT、B超等无创皮肤病变检测的技术缺陷，通过红外热成像技术生成的伪色彩热图和预设正常图像比较来确定疑似病变区域。该方法能够利用皮肤下方的癌细胞发出的较高红外辐射来进行无创的病变情况诊断。但是由于人体温度并不是持续恒定，容易受到外界环境、血液流动、运动甚至是心情影响，癌细胞区域较于正常区域的的稍高的温度差很容易淹没在体温受到各种因素波动产生的误差中。

但上述的基于图像的无创皮肤病变检测方法中，普通的图像采集只能对皮肤最表层的病变特征进行判断，无法深入皮下的皮肤早期病变特征进行精确的数据采集。以中国科学院上海光学精密机械研究所的刘世杰等公开的方法而言，采用非相干光源(390nm～730nm)通过宽带可调谐滤波器、起偏器和准直器平行斜入射到样品上，样品前表皮层产生的漫反射光和亚表层(样品表面下约300μm区域)产生的退偏散射光通过微偏正片阵列在镜头成像。该方法和结构能够对被测样品表面下约300μm区域进行图像采集，无法再深入。对早期皮肤癌等病变细胞团成型无法进行判断。上海市第一人民医院的俞晔等公开的方式利用红外测温判断是否有更高温度的癌细胞在皮下成型，此方法精度不高，且需要成型较大的细胞团块才能够产生相当效应，特别对于微小结节型等早期症状不明显的类型的基底细胞癌无法进行早期病变诊断。

本发明公开了一种基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统。通过测量和记录多光谱光源在皮下光学传播特征参数，从而实现对表皮、真皮和皮下组织三个层面的皮肤的异常检测，可用于皮肤表皮和皮下病变的早期检测和诊断，可广泛用于人体皮肤癌和其他皮肤病的早期病变监测和诊断等领域。精确控制射入皮肤光源的波长和光强，通过对皮肤同侧射出的光斑进行采集和数据分析，得到出多光谱光源在皮下组织传播特征参数，从而精确定位和测量皮下异常病变区域区域。能够更加及时和精准地检测皮肤癌变等病变早期症状的皮肤组织成分、细胞种类和排布的改变，进一步提高皮肤早期病变的发现时间和诊断能力。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统，可用于皮肤在表皮和皮下发生早期病变的无创诊断，属于皮肤病变诊断装置技术领域。

本发明的目的是这样实现的：

该准分布光纤应变测量系统是由光控模块(1)、宽光谱可调光源(2)、聚光透镜(3)、第一耦合器(4)、传输光纤(5)、光路切换器(6)、照射通路光纤(7)、测量通路光纤(8)、第二耦合器(9)、斜角度光束出射光纤(10)、皮肤光斑采集固定装置(11)、光斑检测传感器(12)、光电探测器(13)、光功率测量模块(14)、数据分析模块(15)和显示单元(16)组成；所述系统中光控模块(1)发出指令控制宽光谱可调光源(2)发出特定强度和波长的光源，通过聚光透镜(3)汇聚在第一耦合器(4)通过传输光纤(5)进入光路切换器(6)，光控模块(1)控制光路切换器(6)将光信号切换两路，其中一路通过照射通路光纤(7)进入第二耦合器(9)，第二耦合器(9)连接到斜角度光束出射光纤(10)将光以一定的角度从皮肤光斑采集固定装置(11)的开孔射入，从另一个开孔射出后通过光斑检测传感器(12)检测到光斑的强度和图案后交由数据分析模块(15)进行分析；另一路经过测量通路光纤(8)照射到光电探测器(13)并通过光功率测量模块(14)测量实际光强，将结果传输到数据分析模块(15)，数据分析模块(15)得到结果后，将该波长和强度下的光斑相关信息再显示单元上(16)绘制，并发送下一次的光源强度和波长控制信息到光控模块(1)，循环得到一段连续波长和光强下的皮肤组织内光束响应参数后，经数据分析模块(15)得到最终处理结果。

(下面是进一步的细节阐述与说明，包括其他权利要求项及其细节说明)

本系统的测量步骤为：

步骤1：光路切换器切换到测量通路光纤。

步骤2：进行光强标定。

步骤3：光路切换器切换到照射通路光纤。

步骤4：宽光谱光源从低波长低光强开始发出光。

步骤5：记录下光斑图像数据。

步骤6：光路切换器切换到测量通路光纤。

步骤7：测量当前光强并记录。

步骤8：宽光谱光源以一定步进增加发出光的波长和光强。

步骤9：运行步骤3至8直到采集到能够输出的最大波长和最大光强光源形成的光斑图像数据。

步骤10：分析光斑数据，得到病变异常区域数据和测量结果。

本系统为保证光强精确可控，采用可控强度的宽光谱可调光源，进行数据采集钱需要进行校准和标定；由光控模块(1)控制光路切换器(6)切换到测量通路光纤(8),控制宽光谱光源(2)发出预设的强度的光照，且光照波长从低到高变化，经光电探测器(13)和光功率测量计算模块(14)计算出一条实际光照曲线作为校准标定曲线保存在光控模块中，作为后续测量的输出和测量的修正。

为了方便皮肤组织光传递特性测量，本发明构造了皮肤光斑采集固定装置(11)，如图2所示，该皮肤光斑采集固定装置由高透光性的柔性玻璃片(17)作为基底，上贴有柔性粘性全反射片(18)；在柔性粘性全反射片和柔性玻璃片的两个区域分别开孔，定义为第一开孔区(19)和第二开孔区(20)。在第一开孔区的离第二开孔区较远的一侧加工安装光纤固定套筒(22)，第二开孔区外侧通过加工安装有传感器固定槽(21)；光纤固定套筒(22)用以固定斜角度光束出射光纤(10)，传感器固定槽(21)采用滑轨结构，可以滑动固定光斑检测模块(12)；固定斜角度光束出射光纤(10)发出发散角为θ的光束从第一开孔区射入皮肤，第一开孔区(19)的开孔区域和光束在皮肤表面投射区域相吻合。

为了实现将紧贴皮肤的光纤产生的光束以倾斜角射入皮肤，本发明构造了斜角度光束出射光纤(10)，如图4所示，制作方式为使用一截单模光纤，在其末端进行研磨抛光成斜面，将其斜面的法线和光纤的轴线形成一个夹角；斜面上进行镀银操作，使其斜面形成镀银反射层，能够将传输的光线进行全反射从侧面射出；为了方便光线能从侧面斜着射出，出射区域进行开窗处理，露出光纤纤芯，斜面的法线和光纤的轴线形成的夹角范围可根据需要从45°到80°调节。

本发明测量的方法和原理：

皮肤为表皮、真皮和皮下组织三层结构，光束在组织表面发射折射和反射，在组织边界发生投射和反射；由于柔性粘性全反射片(18)的存在，光束在射入皮肤后，不会从皮肤光斑采集固定装置的其他区域逸出，而会在皮肤三个层次结构之间和反射片之间会发生多次反射和折射；从皮肤光斑采集固定装置的第二开孔区域出射的光在安装的光斑检测模块的传感器表面投射出深浅交错的光斑。生物组织为高散射随机介质，不同特性组织传输的差异性很大。皮肤的病变改变改变蛋白质、线粒体等大分子物质的含量，即改变光子的散射作用；改变黑色素等物质的含量，即改变光子的吸收作用，同时肿瘤细胞的由于排列分布与正常细胞存在显著不同，即使肿瘤细胞尚未成较大组块，也能够改变光子在皮下组织的传递，从而改变光斑的能量分布，分析得出皮下异常区域的尺寸和纵深距离，结合不同物质对不同波长的光吸收和发射情况不同，进一步分析出异常的原因。

(四)附图说明

图1是基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统结构示意图。由光控模块(1)、宽光谱可调光源(2)、聚光透镜(3)、第一耦合器(4)、传输光纤(5)、光路切换器(6)、照射通路光纤(7)、测量通路光纤(8)、第二耦合器(9)、斜角度光束出射光纤(10)、皮肤光斑采集固定装置(11)、光斑检测传感器(12)、光电探测器(13)、光功率测量模块(14)、数据分析模块(15)和显示单元(16)组成。

图2是自行构建的皮肤光斑采集固定装置的结构示意图，由高透光性的柔性玻璃片(17)作为基底，上贴有柔性粘性全反射片(18)，在柔性粘性全反射片和柔性玻璃片的两个区域分别开孔，定义为第一开孔区(19)和第二开孔区(20)，在第一开孔区的离第二开孔区较远的一侧加工安装光纤固定套筒(22)。

图3是光功率测量模块结构示意图，使用程控放大器(24)进行动态增益调整，使用温度探测器(28)进行光强测量的温度补偿。

图4是自行构建的斜角度光束出射光纤结构示意图，能够以一定角度从侧面斜射出光线。

图5是基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统的实施例的示意图。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

图5给出了基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统的实施例，该实施例系统是由单片机逻辑控制模块(1)、激光驱动宽光谱光源(170nm-2100nm)(2)、聚光透镜(3)、第一耦合器(4)、传输光纤(5)、1x2光开关(6)、照射通路光纤(7)、测量通路光纤(8)、第二耦合器(9)、75°斜角度光束出射光纤(10)、皮肤光斑采集固定装置(11)、高光谱图像传感器(12)、光电探测器(13)、光功率测量模块(14)、高性能嵌入式主控(15)和显示单元(16)组成。

所述系统中单片机逻辑控制模块(1)负责协调光路切换和光源的控制，单片机逻辑控制模块(1)发出指令控制激光驱动宽光谱光源(170nm-2100nm)(2)发出特定强度和波长的光源，通过聚光透镜(3)汇聚在第一耦合器(4)通过传输光纤(5)进入光路切换器(6)，光控模块(1)1X2光开关(6)将光信号切换两路，其中一路通过照射通路光纤(7)进入第二耦合器(9)，第二耦合器(9)连接到75°斜角度光束出射光纤(10)将光以一定的角度从皮肤光斑采集固定装置(11)的开孔射入，从另一个开孔射出后通过高光谱图像传感器(12)检测到光斑的强度和图案后交由高性能嵌入式主控(15)进行分析；另一路经过测量通路光纤(8)照射到光电探测器(13)并通过光功率测量模块(14)测量实际光强，将结果传输到高性能嵌入式主控(15)，高性能嵌入式主控(15)得到结果后，将该波长和强度下的光斑相关信息再显示单元上(16)绘制，并发送下一次的光源强度和波长控制信息到单片机逻辑控制模块(1)，循环得到一段连续波长和光强下的皮肤组织内光束响应参数后，经高性能嵌入式主控(15)得到最终测量结果。

系统工作时，高性能嵌入式主控(15)会针对每一次光源改变波长和光强后形成的光斑图像数据进行存储和分析，同时会发出处理完成信号给单片机逻辑控制模块(1)进行下一次光源的波长20nm步进的调节。此调节的波长步进间隔根据实际需要的测试精度和测量时间要求可进行调整。光斑检测模块可采用高光谱图像传感器或密集光电二极管阵列，不限制传感器类型。最终能够得到连续光谱和连续光强光源在皮下组织传播形成的光斑图像信息，最终获得传递特性参数，从而判断皮下组织是否有异常。可在皮肤癌变等病变早期的健康检测领域中得到广泛的应用。

Claims (5)

1.一种基于多光谱光源在皮下组织传播特征的皮肤病变检测系统。其特征是：它由光控模块(1)、宽光谱可调光源(2)、聚光透镜(3)、第一耦合器(4)、传输光纤(5)、光路切换器(6)、照射通路光纤(7)、测量通路光纤(8)、第二耦合器(9)、斜角度光束出射光纤(10)、皮肤光斑采集固定装置(11)、光斑检测传感器(12)、光电探测器(13)、光功率测量模块(14)、数据分析模块(15)和显示单元(16)组成，所述系统中光控模块(1)发出指令控制宽光谱可调光源(2)发出特定强度和波长的光源，通过聚光透镜(3)汇聚在第一耦合器(4)通过传输光纤(5)进入光路切换器(6)，光控模块(1)控制光路切换器(6)将光信号切换两路，其中一路通过照射通路光纤(7)进入第二耦合器(9)，第二耦合器(9)连接到斜角度光束出射光纤(10)将光以一定的角度从皮肤光斑采集固定装置(11)的开孔射入，从另一个开孔射出后通过光斑检测传感器(12)检测到光斑的强度和图案后交由数据分析模块(15)进行分析；另一路经过测量通路光纤(8)照射到光电探测器(13)并通过光功率测量模块(14)测量实际光强，将结果传输到数据分析模块(15)，数据分析模块(15)得到结果后，将该波长和强度下的光斑相关信息再显示单元上(16)绘制，并发送下一次的光源强度和波长控制信息到光控模块(1)，如此循环，最终得到一段连续波长和光强下的皮肤组织内光束响应参数。

2.根据权利要求1所述的(总的权利要求中具有独特性的部分)斜角度光束出射光纤(10)装置，其特征是：如将光纤的一端以一定的角度斜着切断，将截面平整打磨抛光后，镀银将其变成镀银反射层，其内部光纤纤芯中的光束照射到镀银反射层后，以一定角度反射出能够从开窗区域射出(如图2所示)，出射角度由打磨的截面角度决定，根据实际需求可以以任意角度打磨抛光镀膜。

3.根据权利要求1所述的皮肤病变检测系统中所采用的皮肤光斑采集固定装置，其特征是：该皮肤光斑采集固定装置是基于一块柔性玻璃片(17)上粘贴柔性粘性全反射片(18)，并且在改反射片的两个区域进行开孔，并定义为第一开孔区(19)和第二开孔区(20)，在第二开孔区外侧通过加工安装有传感器固定槽(21)，在第一开孔区(19)附近通过加工安装有自制光纤固定套筒(22)，该皮肤光斑采集固定装置所描述的所有开孔之间的距离、开孔的尺寸和部件均会根据实际需求进行调整。

4.根据权利要求1所述的光斑检测模块，其特征是：该模块内部由玻璃靶面、透镜和高光感图像传感器组成，安装固定在皮肤光斑采集固定装置(11)的出射口，能够获取出射口发出的从皮肤内射出的光斑信息，并传输给数据分析模块(15)。

5.根据权利要求1所述的光功率测量模块，其特征是：该光功率由光电探测器(23)通过程控放大器(24)进行信号放大，通过滤波电路(25)后进入A/D转换电路(26)得到数字信号，通过光功率测量主控(27)得到大致的光强值，通过判断数值的误差范围发出控制指令动态调整程控放大器(24)的放大倍数，并且接入温度探测器(28)测量温度信号，通过测量温度进行温度偏移校准，从而避免了传统的光功率测量模块收到温度变化带来的漂移误差，提高系统的准确性，拓展应用场景。

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