CN117064334A - 一种基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,包括光纤环形器,光纤环形器连接有近红外宽谱光源、光谱仪和光纤耦合分束器,光纤耦合分束器连接有参考臂和样品臂,所述样品臂具有二维扫描振镜,所述二维扫描振镜用于扫描待检测皮肤;还包括宽光谱子带编码解调模块。光谱仪获取待测皮肤干涉光谱数据,对原始光谱进行噪声去除、波长重采样等预处理,优化参数。然后提取宽光谱子带信息,对各子带数据进行补零处理,通过离散傅里叶变换,获取各子带信息的时域幅值分布,利用极值法确定各像素点的主导尺寸。通过宽光谱子带编码解调,反演物体结构空间频率信息,可以实现亚微米级结构变化探测,实现早期皮肤肿瘤无损伤诊断。
Description
技术领域
本发明涉及一种医学检查系统,具体涉及一种基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统。
背景技术
皮肤肿瘤是发生在皮肤的细胞增生性疾病,常见于皮内或皮下组织,临床上主要分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类。其中,恶性的皮肤肿瘤可以不断地增殖,引起转移,甚至威胁生命,比如基底细胞癌、鳞状细胞癌、Paget病、恶性黑素瘤等,是当前难以治愈的皮肤疾病。然而,大多数早期皮肤肿瘤,手术根治率能够达95%以上,提供一种能诊断早期皮肤肿瘤的检测设备,将有助于防止皮肤肿瘤的继续恶化,大大提高治疗成功率。皮肤肿瘤的早期阶段,其形态结构通常是在很微细尺度下(亚微米级)发生变化,同时,为了排除切取皮肤组织引起结构形态变化的可能,需要在线实时检查。
在现有技术中,皮肤肿瘤在线诊断方法主要有CT成像、核磁共振成像、超声波成像、光声成像、皮肤涂片显微成像、光学相干断层成像(OCT)等。在这些生物组织成像方法中,成像深度和成像分辨率是相互制约、不可兼得。
例如,CT、核磁共振成像虽然能穿透1000mm深度的能力,但其分辨率却只能达到毫米级。超声波成像、光声成像的成像深度能达到厘米级,但分辨率同样受限,均无法判别早期皮肤组织结构的微小变化。
又例如,光学相干断层成像(OCT)利用低相干光干涉原理,基于迈克尔逊干涉仪系统,是一种无接触、无损伤、快速、具有深度信息的实时三维成像技术,被广泛运用于生物组织检测,如眼角膜和皮肤等。虽然,通过OCT系统,其成像深度可以渗透到皮肤下层2-3mm,对角质层、颗粒层等结构信息均能实现成像。但是,OCT的纵向分辨率取决于系统的光学相干长度,现有OCT技术分辨率难以突破微米级瓶颈,也无法探测皮肤肿瘤早期阶段中很微细尺度的结构形态变化。目前,在国内外公知的OCT系统中,国内天津大学王志龙团队通过OCT系统可以用于分析皮肤组织内部结构特征分布及变化,但分辨率受限,无法精确探测到早期皮肤肿瘤组织的微细结构变化。爱尔兰国立大学物理学院Martin团队,虽然利用超连续带宽光源降低了OCT的相干长度,实现了约为2μm的成像分辨率,但仍然无法突破亚微米级成像分辨率,无法用于早期皮肤肿瘤的精确诊断。传统OCT技术对整段光谱数据进行分析处理,丢失了局部光谱波长信息,也就无法重建更高精度的微细结构探测,就无法准确探测到早期疾病带来的微细结构形态变化。
另一方面,受大气层破坏的影响,紫外光线强度越发增强,全球皮肤癌患者逐年大幅增加,皮肤癌致死率相当高。尤其是晚期皮肤癌,病人要遭受莫大的疾苦,且目前几乎没有可以治愈的方法。然而,早期皮肤肿瘤却没有那么严重,手术根治率能够达到95%以上。因此,迫切需要一种无损伤、快速、超高分辨率的早期皮肤肿瘤检查诊断设备。
发明内容
针对以上现状,本发明提供一种基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,旨在实现皮肤肿瘤的早期筛查,避免皮肤肿瘤恶化,提升皮肤肿瘤治疗成功率。
为实现上述目的,本发明技术方案如下:
一种基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,其关键在于:包括光纤环形器,所述光纤环形器连接有近红外宽谱光源、光谱仪和光纤耦合分束器,所述光纤耦合分束器连接有参考臂和样品臂,所述样品臂具有二维扫描振镜,所述二维扫描振镜用于扫描待检测皮肤;
还包括宽光谱子带编码解调模块,所述宽光谱子带编码解调模块用于反演待检测皮肤的空间频率信息。
优选的,所述宽光谱子带编码解调模块包括光谱信息提取子模块、光谱干涉数据预处理子模块、参数优化子模块和子带编码解析子模块,其中,所述光谱信息提取子模块用于采集皮肤组织散射信息、获取各点光谱干涉数据,所述光谱干涉数据预处理子模块用于对原始光谱进行去噪、背景光移除、波长重采样、以及频域线性化处理,所述参数优化子模块用于优化子带宽度和取零阈值,所述子带编码解析子模块能够通过离散傅里叶变换,获取各子带信息的时域幅值分布,并利用极值法确定各像素点的主导尺寸,以实现反演待检测皮肤的空间频率信息。
优选的,在所述宽光谱子带编码解调模块中,成像物体结构用其三维散射函数表示为:
或者其傅里叶变化形式:
F(K)=∫U(r)e-iK·rd3r (2)
其中,λ为光波长,n为介质折射率,K为衍射矢量,当散射距离r较大时,则衍射矢量K可以表示为:
其中,s和s0分别为单位散射矢量和入射矢量;建立波长和样品结构空间频率的相互对应关系,利用波长携带的空间频率信息,通过宽光谱子带编码解调,实现高精度的纵向结构差异信息提取。
优选的,还包括PC电脑,所述光谱仪与PC电脑连接,所述宽光谱子带编码解调模块集成于PC电脑内。
优选的,所述光谱仪由沿光路方向依次设置的衍射光栅、聚焦透镜和线相机组成。
优选的,所述近红外宽谱光源的中心波长为1300nm,带宽为130nm
优选的,所述样品臂还包括成像物镜。
优选的,所述光纤耦合分束器与二维扫描振镜之间、以及光纤环形器与光谱仪之间均设有光纤准直器。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、利用近红外宽谱光源,基于迈克尔逊干涉仪原理,建立OCT成像系统,经过光纤耦合分束将光束分别传播到参考臂和样品臂,在样品臂中利用二维振镜对待测皮肤伤口区域进行逐点扫描,最后通过光谱仪采集各点光谱干涉数据。随后通过宽光谱子带编码解调,反演物体结构空间频率信息,实现亚微米级结构变化探测。相比传统OCT而言,突破了微米级分辨率限制,可以探测早期皮肤肿瘤中的微细形态结构变化,有利于提高对皮肤肿瘤早期病变情况的诊断准确度。
2、在本发明中,无需改变原始的OCT系统结构,也不要增加昂贵的光学,机械移动扫描器件等,进行宽光谱子带编码解调,便可以获取更高精度组织结构尺寸,具备无损伤、快速、超高分辨率等特点,能够防止皮肤肿瘤恶化,大大提升治疗成功率。
附图说明
图1为基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统的结构示意图;
图2为宽光谱子带编码解调的数据处理方法及早期皮肤肿瘤诊断流程图;
图3为宽光谱子带编码解调模块的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,该系统主要涉及光纤环形器1、近红外宽谱光源2、光谱仪3、光纤耦合分束器4、参考臂5、样品臂6、PC电脑7以及两个光纤准直器8。其中,近红外宽谱光源2和光谱仪3均连接在光纤环形器1上,参考臂5和样品臂6通过所述光纤耦合分束器4连接在光纤环形器1上,样品臂6具有二维扫描振镜6a和成像物镜6b,二维扫描振镜6a用于对待测皮肤伤口区域进行逐点扫描。两个光纤准直器8分别设置在光纤耦合分束器4与二维扫描振镜6a之间、以及光纤环形器1与光谱仪3之间。光谱仪3与PC电脑7通讯连接,PC电脑7集成有宽光谱子带编码解调模块,宽光谱子带编码解调模块用于反演待检测皮肤的空间频率信息。
结合附图3所示,宽光谱子带编码解调模块包括光谱信息提取子模块、光谱干涉数据预处理子模块、参数优化子模块和子带编码解析子模块。谱信息提取子模块用于采集皮肤组织散射信息,实时获取相应的干涉光谱数据。光谱干涉数据预处理子模块能够对原始光谱进行去噪、背景光移除、波长重采样、频域线性化等参数预处理。参数优化子模块能够优化子带宽度和取零阈值等参数。子带编码解析子模块能够通过Tukey窗口函数连续分段提取宽光谱子带信息,并通过离散傅里叶变换,获取各子带信息的时域幅值分布,利用极值法确定各像素点的主导尺寸,然后通过宽光谱子带编码解调,以实现反演待检测皮肤的空间频率信息。
请参附图2所示,基于以上早期皮肤肿瘤检测系统,其对皮肤进行肿瘤检测的过程为:
步骤1:利用近红外宽谱光源2,基于迈克尔逊干涉仪原理,建立OCT成像系统,经过10:90光纤耦合分束器4将光束分别传播到参考臂5和样品臂6,在样品臂5中利用二维扫描振镜6a对待测皮肤伤口区域进行逐点扫描,采集皮肤组织散射信息,实时获取相应的干涉光谱数据,最后通过光谱仪采集各点光谱干涉数据。
步骤2:首先对原始光谱数据进行噪声去除、背景光移除、波长重采样、频域线性化等预处理后,优化计算参数,然后通过Tukey窗口函数连续分段提取宽光谱子带信息,对各子带数据进行补零处理,通过离散傅里叶变换,获取各子带信息的时域幅值分布,进而利用极值法确定各像素点的主导尺寸。然后,基于埃瓦尔德衍射球定理,不同波长对应不同的埃瓦尔德衍射球半径,球上每个点则对应不同的三维光场空间频率,通过宽光谱子带编码解调,反演物体结构空间频率信息,实现皮肤组织中的亚微米级结构变化探测。最后,对比健康皮肤组织特征尺寸,实现早期皮肤肿瘤无损伤诊断。
在本实施例中,宽光谱子带编码解调的原理及过程如下:
基于埃瓦尔德衍射球定理,不同波长对应不同的埃瓦尔德衍射球半径,球上每个点则对应不同的三维光场空间频率,通过Tukey窗口函数连续分段提取宽光谱子带信息,对各子带数据进行补零处理,通过离散傅里叶变换,获取各子带信息的时域幅值分布,进而利用极值法确定各像素点的主导尺寸。成像物体结构可以用其三维散射函数表示为:
或者其傅里叶变化形式:
F(K)=∫U(r)e-iK·rd3r (2)
其中,λ为光波长,n为介质折射率,K为衍射矢量,当散射距离r较大时,则衍射矢量K可以表示为
其中,s和s0分别为单位散射矢量和入射矢量。建立波长和样品结构空间频率的相互对应关系,利用波长携带的空间频率信息,通过宽光谱子带编码解调,可以实现高精度的纵向结构差异信息提取。皮肤肿瘤的早期阶段,其形态结构通常是在很微细尺度下(亚微米级)发生变化。针对皮肤组织每一扫描点进行计算,进行光谱去噪、背景光移除,提高信噪比;然后进行波长重采样、频域线性化等处理,提升傅里叶频谱解析精度。优化光谱分段宽度以及取零阈值等参数,利用宽光谱子带编码解调,反演物体结构空间频率信息。获取皮肤组织结构的亚微米级形态特征,对比健康皮肤组织结构尺寸,实现早期皮肤肿瘤无损伤诊断。
在本实施例中,近红外宽谱光源2的中心波长为1300nm,带宽为130nm,可以根据不同的成像条件来调节最优光强度。二维扫描振镜6a的光束直径可达10mm,能够覆盖检测中的所有波长范围。成像物镜6b的有效焦距为36mm,工作距离为25.1mm,横向分辨率为13μm。光谱仪3由沿光路方向依次设置的衍射光栅、聚焦透镜和线相机组成。该光谱仪3共有2048个像素点,覆盖波长为1100nm至1500nm,总共带宽为400nm,光谱仪分辨率约为0.20nm。
最后需要说明的是,上述描述仅仅为本发明的优选实施例,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下,可以做出多种类似的表示,这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,其特征在于:包括光纤环形器(1),所述光纤环形器(1)连接有近红外宽谱光源(2)、光谱仪(3)和光纤耦合分束器(4),所述光纤耦合分束器(4)连接有参考臂(5)和样品臂(6),所述样品臂(6)具有二维扫描振镜(6a),所述二维扫描振镜(6a)用于扫描待检测皮肤;
还包括宽光谱子带编码解调模块,所述宽光谱子带编码解调模块用于反演待检测皮肤的空间频率信息。
2.根据权利要求1所述的基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,其特征在于:所述宽光谱子带编码解调模块包括光谱信息提取子模块、光谱干涉数据预处理子模块、参数优化子模块和子带编码解析子模块,其中,所述光谱信息提取子模块用于采集皮肤组织散射信息、获取各点光谱干涉数据,所述光谱干涉数据预处理子模块用于对原始光谱进行去噪、背景光移除、波长重采样、以及频域线性化处理,所述参数优化子模块用于优化子带宽度和取零阈值,所述子带编码解析子模块能够通过离散傅里叶变换,获取各子带信息的时域幅值分布,并利用极值法确定各像素点的主导尺寸,以实现反演待检测皮肤的空间频率信息。
3.根据权利要求2所述的基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,其特征在于,在所述宽光谱子带编码解调模块中,成像物体结构用其三维散射函数表示为:
或者其傅里叶变化形式:
F(K)=∫U(r)e-iK·rd3r (2)
其中,λ为光波长,n为介质折射率,K为衍射矢量,当散射距离r较大时,则衍射矢量K可以表示为:
其中,s和s0分别为单位散射矢量和入射矢量;建立波长和样品结构空间频率的相互对应关系,利用波长携带的空间频率信息,通过宽光谱子带编码解调,实现高精度的纵向结构差异信息提取。
4.根据权利要求1所述的基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,其特征在于:还包括PC电脑(7),所述光谱仪(3)与PC电脑(7)连接,所述宽光谱子带编码解调模块集成于PC电脑(7)内。
5.根据权利要求1所述的基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,其特征在于:所述光谱仪(3)由沿光路方向依次设置的衍射光栅、聚焦透镜和线相机组成。
6.根据权利要求1所述的基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,其特征在于:所述近红外宽谱光源(2)的中心波长为1300nm,带宽为130nm。
7.根据权利要求1所述的基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,其特征在于:所述样品臂(6)还包括成像物镜(6b)。
8.根据权利要求1所述的基于宽光谱子带编码解调的早期皮肤肿瘤检测系统,其特征在于:所述光纤耦合分束器(4)与二维扫描振镜(6a)之间、以及光纤环形器(1)与光谱仪(3)之间均设有光纤准直器(8)。
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Legal Events
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