CN1199614C - 双波长乳腺肿瘤检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种诊断乳腺肿瘤的仪器,尤其是指用光学方法诊断恶性肿瘤的医用诊断仪器。由探头部分、模拟电路部分及单片机处理系统组成,其特征在于:探头部分,由光源电压频率控制器提供无创光源,光源发出的光经过生物组织散射与反射,由两组滤光片分别接受两种不同波长的单波长光,这两种单波长光信号经光电转换变成电信号,经放大后送至模拟电路部分;再将信号送至单片机处理系统进行全自动分析处理。具有无创伤、准确率高、对人体无放射性损害、造价低廉、使用方便等优点,可以作为乳腺肿瘤普查仪器。
Description
本发明涉及一种诊断乳腺肿瘤的仪器,尤其是指用光学方法诊断恶性肿瘤的医用诊断仪器。
乳腺癌是妇女的常见病、多发病之一,并将成为威胁妇女生命的第一位癌症。乳腺癌的治疗效果及预防的关键在于诊断,目前医学界很重视对乳腺肿瘤诊断仪的发明研究,并且对这类诊断仪的要求是既要对癌症的查准率高,又要使用安全、方便。目前用于诊断乳腺癌的仪器有两大类,一类是有创伤性的如中国专利“恶性肿瘤固有荧光诊断仪”(中国专利号:85100424),X-CT机等紫外或X光设备,不便于妇女定期检查或普查之用,另一类是无创伤性的“红外乳腺扫描仪”(中国专利号:89210115.6),“肿瘤电脑定性诊断仪”为代表,但是“红外乳腺扫描仪”只能显示乳腺肿块的阴影,不能反映乳腺肿块的本质。由于多波长的相互影响,是得肿块不清晰,且该仪器靠医生的目测来做定性判断,其诊断结果与医生的经验关系很大,直接影响诊断的正确性。而肿瘤电脑定性诊断仪利用温差原理设计,对于月经期妇女的错查率较高,且总体确诊率较低。
和本仪器结构比较接近的是“恶性肿瘤固有荧光诊断仪”(中国专利号:85100424),其主要特征是利用冷光灯激光近红外光源,将光导入光纤,经生物组织散射与反射,用光电二极管转化为电信号,再放大,进入常规的数字化处理部分,由于紫外线的微创性,光纤易折断,且无法从肿瘤本身血氧分布的本质直接判断肿瘤的良恶性,使得其使用受到很大的局限性。
本发明利用近红外光,光谱区域分别在600nm-805nm及805nm-1000nm范围,各波段含氧血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)的光吸收特征(如图1),在近红外光双波长无损伤检测血氧含量的基础上,建立乳腺肿瘤组织与正常组织相对血氧含量的计算公式(1),根据恶性肿瘤组织高含血低含氧的特征,以比较良性肿瘤及乳腺癌与正常组织血氧含量的方法诊断乳腺癌。
图1为含氧血红蛋白和去氧血红蛋白对500nm~1200nm近红外光的吸收曲线,且交叉点在805nm左右。血氧评价标准的计算公式(1)如下:
肿块高含血:I患805-x+I患805+y,<I健805-x+I健805+y
肿块低含血:I患805-x+I患805+y,>I健805-x+I健805+y
肿块低含氧:
肿块高含氧:
以上公式中的I值均为接收光强:X,Y均为自然数。
其中:I患805-x:表示在患侧805-X处的接收光强,经模拟电路处理得到的电信号;
I患805+y:表示在患侧805+Y处的接收光强,经模拟电路处理得到的电信号;
I健805-x:表示在健侧805-X处的接收光强,经模拟电路处理得到的电信号;
I健805+y:表示在健侧805+Y处的接收光强,经模拟电路处理得到的电信号;
依据计算公式,
恶性肿瘤:高含血;低含氧(高度怀疑乳腺癌)。
良性肿瘤:高含血高含氧或低含血高含氧或低含血低含氧。
增生组织:高含血高含氧或低含血高含氧或低含血低含氧。
本发明的目的是依据双波长无损检测乳腺癌的原理,针对乳腺癌肿块的检测,设计一种无创伤、造价低廉、准确率高的、可用于便携式普查的自动化乳腺肿瘤检测分析仪器。
本发明是这样实现的:该双波长乳腺肿瘤检测仪,由探头部分、模拟电路部分及单片机处理系统组成,其特征在于:
a.探头部分:由光源电压频率控制器提供无创光源1,光源1发出的光经过生物组织散射和反射,由760nm滤光片2、850nm滤光片3分别接受两种不同波长的单波长光,这两种单波长光信号分别经第一光电转换器4、第二光电转换器5变成电信号,经放大后送至模拟电路部分:
b.模拟电路部分:由探头部分输出的两路电信号送差分放大电路9,以滤除共模干扰、外界光干扰,消除探头和导线在两路信号上不平衡对后级处理的影响,同时提供一个高的输入阻抗;然后从差分放大电路出来的两路信号分别经第一二级低通放大电路10、第二二级低通放大电路11调节信号的增益,频带选在40HZ以下,再经第一二级低通滤波器12、第二二级低通滤波器13滤除50HZ干扰信号后,将信号送至单片机处理系统。
本发明的进一步特征是所述两种单波长光的波长是600~805nm和805~1000nm范围。例如可选用两种单波长光的波长是760nm和850nm。
本发明的进一步特征是:所述探头部分的结构是由三个相互分隔的腔体组成,分别设置有无创光源,该无创光源选用φ3.5mm的800mw的白炽灯1,760nm滤光片2,850nm的滤光片3。在两片滤光片的背面分别贴有第一光电转换器4,第二光电转换器5,探头部分正面应与被测乳腺表面吻合。
以下结合附图对本发明的实施例做进一步描述。
图1是含氧血红蛋白和去氧血红蛋白对500nm~12nm近红外光的吸收曲线。
图2是本发明的电路原理图。
图3是探头部分的结构示意图。
图4是光源电压频率控制电路原理图。
请参阅图2,数字处理部分采用常用的单片机处理系统,二路A/D转换4与模拟电路部分相连,并将信号送入单片机15,单片机15驱动液晶显示17和微型打印机16,同时接受键盘19的控制,计算结果从存储器18读出或写入,液晶显示17选用带背光液晶,以适应各种场合需要,微型打印机选用24点阵,全中文字库的微型针式打印机。
探头部分,主要由无创光源1,760nm滤光片2,850nm滤光片3,第一光电转化器4、第二光电转化器5及第一放大器6、第二放大器7组成。其中无创光源可选用Φ3.5mm的800mw的白炽灯,且灯的发光电压和频率由光源电压频率控制电路控制,760nm滤光片2与850nm滤光片3背面分别与第一光电转换器4、第二光电转换器5相连接,第一光电转换器4、第二光电转换器5分别与第一放大器6、第二放大器7相连接,共同组成探头的电路,且电路藏于滤光片的背面。探头外部正面示意如图3,当正面贴在皮肤上实验时,在其周边的突起部能隔离外界光的干扰,而中间的突起部能隔离光源到滤光片的直接作用,对前头背面全面密封。
基于双波长检测的原理:模拟电路部分主要由差分放大9,第一二级低通放大器10、第二二级低通放大器11,以及第一二级低通滤器12、第二二级低通滤器13构成。差分放大9通过9芯扁平导线8与探头相连,并将探头进来的电信号送差分放大9,然后经过第一二级低通放大器10、第二二级低通放大器11,再经过第一二级低通滤波器12、第二二级低通滤波器13送入单片机处理系统进行数字处理。
光源电压频率控制部分请参阅图4:二极管D1、D2,电阻R33、R34、R35,电容C15构成频率可调的振荡电路,通过放大器U5A产生脉冲信号,再经移位计数器CD4017(U8)产生占空比1∶3的脉冲,送往转换开关SW-SPDT,由与之相连的电阻R40、R41、R42构成电压可调电路,并将可调脉冲信号放大器U5B,到三极管2N2222(Q1),并由三极管(Q1)的1脚与三极管T1P127(Q2)相连,最终输出电压与频率可调的脉冲。
综上所述,本发明详细的工作原理如下:将探头分别置于健、患侧乳腺,固定之,光源1的光经过组织散射与反射,经过760nm滤光片2和850nm滤光片3,产生两单波长光,经过第一光电转化器4、第二光电转化器5,产生两路微弱的电信号,再经过第一放大器6、第二放大器7,经导线8将电信号送入差分放大9,同时其光源1的电压和脉冲频率接受光源电压频率控制20电路的控制。差分放大9使得探头部分的电阻不准、导线的不平衡、长线加入噪声等问题得到较好的解决。同时经差分放大器9去除共模干扰,进入第一二级低通放大10、第二二级低通放大器11,二级低通放大器的增益可调,以适用特定人的需要,并且二级低通放大器的频带选在40HZ以下,可以去除50HZ的干扰并且提高仪器工作的可靠性,放大后的信号经过第一二级低通滤波器12、第二二级低通滤波器13滤波,送入单片机处理系统,单片机处理系统在单片机15的控制下,控制二路A/D转换器14进行A/D转换,并将结果送到液晶显示17,再直到用户看到液晶显示17的两路采样值的平均稳定,按键盘19,在单片机15的控制下,将结果暂存,即I患805与I患760值。在不改变仪器参数的情况下,将探头置于健侧乳腺的对称位置,固定之,信号的流程同患侧,待结果稳定,按键盘19,在单片机15的控制下,得出I健805和I健760的值,同时在单片机15的程序控制公式(1)进行计算,并送液晶显示17诊断结果,同时在键盘19的操作下,送微型打印机16输出诊断结果。整个计算完全是在单片机15的程序控制下自动完成。
本发明经湖北省肿瘤医院临床实验证明,该仪器的诊断符合率达90%。具有如下优点:
1、无创伤。它于人体接触的只有探头、滤光片,接触的部分对人体无任何电磁,机械损伤,其光源在800mW以下工作,不会损伤皮肤。
2、准确率高。它采用全自动分析处理,一次性自动产生分析结果,排除主观诊断的主观性误差使诊断准确率提高。
3、无放射性损害。由于作用与人体的光信号采用小功率白炽灯,对于人体无放射性损害。
4、造价低廉,使用方便,可以作为乳腺肿瘤普查仪器。
Claims (6)
1、一种双波长乳腺肿瘤检测仪,由探头部分、模拟电路部分及单片机处理系统组成,其特征在于:
a.探头部分:由光源电压频率控制器提供无创光源(1),光源(1)发出的光经过生物组织散射与反射,由760nm滤光片(2),850nm滤光片(3)分别接受两种不同波长的单波长光,这两种单波长光信号分别经第一光电转换器(4),第二光电转换器(5)变成电信号,经放大后送至模拟电路部分;
b.模拟电路部分:由探头部分输出的两路电信号送差分放大电路(9),以滤除共模干扰、外界光干扰,消除探头和导线在两路信号上不平衡对后级处理的影响,同时提供一个高的输入阻抗;然后从差分放大电路出来的两路信号分别经第一二级低通放大电路(10)、第二二级低通放大电路(11)调节信号的增益,频带选在40HZ以下,再经第一二级低通滤波器(12)、第二二级低通滤波器(13)滤除50HZ干扰信号后,将信号送至单片机处理系统。
2、根据权利要求1所述的双波长乳腺肿瘤检测仪,其特征是所述两种单波长光的波长是600~805nm和805~1000nm范围。
3、根据权利要求2所述的双波长乳腺肿瘤检测仪,其特征是所述两种单波长光的波长是760nm和850nm。
4、根据权利要求1或2所述的双波长乳腺肿瘤检测仪,其特征是:所述探头部分的光源频率控制器的电路是由二极管D1、D2,电阻R33、R34、R35,电容C15构成频率可调的振荡电路,通过放大器U5A产生脉冲信号,再经移位计数器CD4017(U8)产生占空比1∶3的脉冲,送往转换开关SW-SPDT,由与之相连的电阻R40、R41、R42构成电压可调电路,并将可调脉冲信号送放大器U5B,到三极管2N2222(Q1),并由三极管(Q1)的1脚与三极管T1P127(Q2)相连,最终输出电压与频率可调的脉冲。
5、根据权利要求1或2所述的双波长乳腺肿瘤检测仪,其特征是:所述探头部分的结构是由三个互相分隔的腔体组成,分别设置有无创光源、850nm的滤光片、760nm滤光片,无创光源选用Φ3.5mm的800mw的白炽灯,在760nm滤光片的背面贴有第一光电转换器(4),在850nm滤光片的背面贴有第二光电转换器(5),探头部分正面可与被测乳腺表面吻合。
6、根据权利要求1或2所述的双波长乳腺肿瘤检测仪,其特征是:经模拟电路处理后的血氧评价标准的计算公式如下:
肿块高含血:I患805-x+I患805+y<I健805-x+I健805+y
肿块低含血:I患805-x+I患805+y>I健805-x+I健805+y
以上公式中的I值均为接收光强;X、Y均为自然数;
其中:I患805-x:表示在患侧805-X处的接收光强,经模拟电路处理得到的电信号;
I患805+y:表示在患侧805+Y处的接收光强,经模拟电路处理得到的电信号;
I健805-x:表示在健侧805-X处的接收光强,经模拟电路处理得到的电信号;
I健805+y:表示在健侧805+Y处的接收光强,经模拟电路处理得到的电信号。
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