專利名稱：超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)，其可用于癌癥如子宮頸癌的光學(xué)診斷、定位及治療。
現(xiàn)有技術(shù)癌癥如子宮頸癌變組織可分為前期癌癥(SIL-squarmousIntraepithelia lesion或per-Cancer)，早期癌癥(MicroinvasiveCancer)和晚期癌癥(Invasive Cancer，stage I-IV)。采用現(xiàn)有治療技術(shù)，一般前期癌癥的治愈率可達(dá)100％，早期癌癥的治愈率為98％，而晚期癌癥的治愈率僅為40％。可見診斷早期和前期癌癥非常重要。但早期和前期癌癥沒有臨床癥狀，檢測(cè)困難。常規(guī)子宮頸癌早期診斷使用宮頸刮片檢查(pap smear)，但其發(fā)現(xiàn)前期和早期病變的敏感度僅為58％，診斷特異度為69％(M.T.Fahey，L.Irwig，and P.Macaskill，“Meta-analysis of pap test accuracy，”Am.J.Epid，Vol.141，No.7，pp.680-689，1995)。目前檢查結(jié)果需等數(shù)個(gè)星期之后才能揭曉。檢查結(jié)果揭曉后，還需進(jìn)行陰道鏡檢查與取活檢來(lái)確診，然后再在陰道鏡的指導(dǎo)下來(lái)進(jìn)行治療。
近年來(lái)，光學(xué)成像和光譜測(cè)量被用來(lái)有效地改進(jìn)子宮頸癌的早期診斷。光學(xué)診斷的特點(diǎn)在于診斷精確度較常規(guī)刮片檢查高且結(jié)果能即時(shí)得知。癌變組織和正常組織的自體熒光光譜和漫反射光譜都呈現(xiàn)出明顯的特征差異，因而光譜測(cè)量能被用來(lái)有效地區(qū)別癌變組織和正常組織，例如美國(guó)專利US 5421339，US 5612540，US 6258576。其不足是在這些系統(tǒng)中，一次只能對(duì)宮頸組織表面上一固定點(diǎn)進(jìn)行光譜測(cè)量，不能同時(shí)判別宮頸組織表面所有區(qū)域的狀態(tài)。如果早期或前期癌癥病灶沒有肉眼可觀察到的形態(tài)變化，則常常被漏診掉。鑒于這一缺點(diǎn)，建立在光譜研究基礎(chǔ)上所選最佳波段的成像系統(tǒng)被用來(lái)獲取宮頸組織表面的自體熒光圖像從而達(dá)到同時(shí)判別宮頸組織表面所有區(qū)域的狀態(tài)的目的，從而降低漏檢率，例如(A.K.Dattamajumdar，D.Wells，J.Parnell，J.T.Lewis，D.Ganguly.and T.C.Wright Jr.，“Preliminary experimental results from multi-center clinicaltrials for detection of cervical precancerous lesions usingCerviscanTMsystema novel full-field evoked tissuefluorescence based imaging instrument.”，23rdAnnual Meeting ofIEEE Engineering in Medicine and Biology，Istanbul，Turkey，Oct.2001)。但和前述點(diǎn)光譜測(cè)量相比，雖然能同時(shí)獲取整個(gè)組織表面的信息，降低漏診率，提高診斷敏感度，但成像只在幾個(gè)有限的寬帶波段進(jìn)行。對(duì)組織表面每一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，所獲得的信息較一點(diǎn)的光譜測(cè)量所獲得的信息大大減少，因而會(huì)降低診斷的特異度。因而這兩種方法各有利弊，但都不能達(dá)到診斷的敏感度和特異度同時(shí)令人滿意的程度。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明人現(xiàn)已發(fā)明了一種新的超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)，當(dāng)該超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)用于癌癥如子宮頸癌診斷時(shí)其能獲取組織表面數(shù)十個(gè)窄帶波段的圖像，這些圖像能為所診斷(成像)組織表面每一點(diǎn)產(chǎn)生一條光譜曲線，這樣即保持了成像診斷的敏感度又保持了光譜診斷的特異度，因而較前兩種方法能更好地提高癌癥診斷的準(zhǔn)確度。
相應(yīng)地，本發(fā)明超精細(xì)光譜成像方(模)式包括組織自體熒光超精細(xì)光譜成像方(模)式和組織漫反射超精細(xì)光譜成像方(模)式。這兩種方(模)式均可各自用來(lái)改進(jìn)所檢組織是否有癌變的診斷。這兩種方(模)式的結(jié)合可更進(jìn)一步提高診斷組織是否有癌變的準(zhǔn)確性，同時(shí)該儀器或系統(tǒng)提供了為診斷和/或治療用的器械通道，使診斷和治療可以一步完成。因此，本發(fā)明的超精細(xì)光譜成像儀可提供高敏感度和高特異度的光譜圖像，從而為癌癥的診斷和治療提供可靠保證和方便。
本發(fā)明涉及一種超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)，其包括探頭(2)、光源(3)、圖像數(shù)采集器(4)、系統(tǒng)控制電路(5)、計(jì)算機(jī)(6)和顯示器(7)，其特征在于探頭(2)由照明通道(20)，成像通道(21)和器械通道(22)組成，成像通道(21)含可調(diào)濾光器(38)和CCD成像器件(40)。
本發(fā)明涉及一種超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)，其中光源(3)由高壓弧燈(31)，聚光鏡(32)，濾光片轉(zhuǎn)盤(33)和聚焦透鏡(34)組成，其特征在于光源(3)提供供漫反射光譜成像的波長(zhǎng)為400nm-800nm的寬帶白光，及供組織自體熒光光譜成像的波長(zhǎng)為355-375nm、400-420nm或430nm-450nm的窄帶紫外光或藍(lán)光。
本發(fā)明還涉及超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)，其特征在于可調(diào)濾光器(38)一次只允許5nm左右波長(zhǎng)范圍的光通過(guò)，且通過(guò)可調(diào)濾光器的400nm-800nm波長(zhǎng)范圍的光產(chǎn)生80幅圖像。
本發(fā)明還涉及用本發(fā)明的超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)診斷癌癥如子宮頸癌的方法，其包括A.將探頭(2)與檢測(cè)組織如陰道接觸；B.光源(3)提供400nm-800nm波長(zhǎng)的光，經(jīng)光波導(dǎo)(35)，照明光纜(23)照射在被檢測(cè)組織如子宮頸表面(26)；C.光源(3)提供355-375nm或400nm-420nm或430nm-450nm激發(fā)光照射在被檢測(cè)組織如子宮頸表面(26)。
D.通過(guò)B中得到的漫反射超精細(xì)光譜圖像和C中自體熒光超精細(xì)光譜圖像診斷是否有癌癥。
本發(fā)明還涉及用本發(fā)明的超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)治療癌癥如子宮頸癌的方法，其包括通過(guò)探頭(2)中器械通道(22)使治療用射線或藥物到達(dá)癌變部位如子宮頸癌變部位。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明中所用術(shù)語(yǔ)“組織”是指哺乳動(dòng)物組織，如人類組織。
本發(fā)明中所用術(shù)語(yǔ)“像元”是指圖像單元。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)，其特征在于探頭(2)由照明通道(20)，成像通道(21)和器械通道(22)組成，成像通道21含可調(diào)濾光器(38)和CCD成像器件(40)。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)的特征在于光源(3)提供供漫反射光譜成像的波長(zhǎng)為400nm-800nm的寬帶白光，及供組織自體熒光光譜成像的波長(zhǎng)為355-375nm、400-420nm或430nm-450nm的窄帶紫外光或藍(lán)光。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)的特征在于可調(diào)濾光器(38)一次只允許5nm左右波長(zhǎng)范圍的光通過(guò)。且通過(guò)可調(diào)濾光器的400nm-800nm波長(zhǎng)范圍的光產(chǎn)生80幅圖像。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明還涉及診斷的檢測(cè)組織是否發(fā)生癌變的方法，其包括A.將探頭(2)與檢測(cè)組織如陰道接觸；B.光源(3)提供400nm-800nm波長(zhǎng)的光，經(jīng)光波導(dǎo)(35)，照明光纜(23)照射在被檢測(cè)組織如子宮頸表面(26)；C.光源(3)提供355-375nm或400-420nm或430nm-450nm激發(fā)光照射在被檢測(cè)組織如子宮頸表面(26)。
D.通過(guò)B中得到的漫反射超精細(xì)光譜圖像和C中自體熒光超精細(xì)光譜圖像診斷是否有癌癥。
具體講，本發(fā)明檢測(cè)組織如子宮頸組織的漫反射超精細(xì)光譜圖像是如下獲得的A.將探頭(2)與被檢測(cè)組織如陰道接觸；B.光源(3)提供400nm-800nm的寬帶照明光，經(jīng)光波導(dǎo)(35)，照明光纜(23)照射在被檢測(cè)組織如子宮頸組織表面(26)；C.透鏡(25)收集從組織表面(26)反饋回來(lái)的漫反射光信號(hào)并成像于成像光纜(24)；D.成像光纜(24)將成像光信號(hào)傳輸至準(zhǔn)直透鏡(37)產(chǎn)生平行光束照射在可調(diào)濾光器(38)上；E.可調(diào)濾光器依次選擇80個(gè)5nm寬的窄帶波段通過(guò)并由成像透鏡(39)聚焦至CCD器件(40)來(lái)獲取在(400nm-800nm)范圍內(nèi)80幅不同的圖像(超精細(xì)光譜圖像系列(11))。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的常規(guī)白光彩色圖像是如下獲取的A.光源(3)提供400nm-800nm寬帶照明光照射在被檢測(cè)組織如子宮頸組織表面；B.讓可調(diào)濾光器(38)順序通過(guò)400nm-500nm范圍組織表面反饋光信號(hào)讓CCD器件(40)采集一幅藍(lán)光波段基色圖像；C.讓可調(diào)濾光器(38)順序通過(guò)500nm-600nm范圍組織表面反饋光信號(hào)讓CCD器件(40)采集一幅綠光波段基色圖像；D.讓可調(diào)濾光器(38)順序通過(guò)600nm-700nm范圍組織表面反饋光信號(hào)讓CCD器件(40)采集一幅紅光波段基色圖像；E.計(jì)算機(jī)從這三幅紅、綠、藍(lán)三基色圖像合成一幅常規(guī)白光彩色圖像。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明檢測(cè)組織的自體熒光超精細(xì)光譜如下獲得A.光源(3)提供355nm-375nm窄帶激發(fā)光，或400nm-420nm窄帶激發(fā)光，或430nm-450nm窄帶激發(fā)光照射在被檢測(cè)組織如子宮頸組織表面(26)；B.可調(diào)濾光器依次通過(guò)不同中心波長(zhǎng)的5nm寬窄帶波段的組織表面反饋熒光光信號(hào)供CCD采集熒光超精細(xì)光譜圖像系列(11)。
進(jìn)一步講，本發(fā)明的超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)可在檢測(cè)組織的每一點(diǎn)產(chǎn)生光譜圖像單元，該圖像單元又稱為像元并可產(chǎn)生下面四條光譜曲線A.漫反射光譜曲線；B.355nm-375nm紫外光激發(fā)自體熒光光譜曲線；C.400nm-420nm藍(lán)光激發(fā)自體熒光光譜曲線；D.430nm-450nm藍(lán)光激發(fā)自體熒光光譜曲線。
本發(fā)明的下面


是對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但這并不意味著本發(fā)明僅限于此。

圖1是本發(fā)明設(shè)備用于子宮頸(1)成像的系統(tǒng)方框圖。系統(tǒng)探頭(2)伸入陰道接近被檢查的子宮頸。光源(3)提供探頭(2)寬帶白光(400nm-800nm)照明供組織漫反射超精細(xì)光譜成像模式之用，或提供窄帶紫外光或藍(lán)光(例如355nm-375nm，400nm-420nm，或430nm-450nm)激發(fā)子宮頸組織自體熒光發(fā)射，供組織自體熒光超精細(xì)光譜成像模式之用。探頭(2)也收集漫反射光或自體熒光并傳輸至圖像數(shù)據(jù)采集器(4)獲取漫反射超精細(xì)光譜圖像系列或自體熒光超精細(xì)光譜圖像系列送計(jì)算機(jī)(6)貯存與處理。計(jì)算機(jī)(6)運(yùn)行按多元統(tǒng)計(jì)方法編寫的程序或按人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法編寫的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理從而達(dá)到判斷組織是否癌變的目的。子宮頸圖像和對(duì)組織是否癌變進(jìn)行判別結(jié)果，可即時(shí)顯示于顯示器(7)或打印輸出。計(jì)算機(jī)(6)也與系統(tǒng)控制電路相連，從而控制與協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。
超精細(xì)光譜成像數(shù)據(jù)由許多幅在不同窄帶波段(圖2中λ1，λ2，λ3，……λn)所獲取的組織圖像所組成，含有大量的信息。所有數(shù)據(jù)可由函數(shù)I(x，y，λ，)來(lái)表示。x，y是被成像組織表面的位置坐標(biāo)，λ為成像光的窄帶波段的中心波長(zhǎng)，I為光強(qiáng)度。從這一圖像系列(11)能為每個(gè)像元(x，y)產(chǎn)生一條漫反射光譜曲線或自體熒光光譜曲線如圖2中14所示。從漫反射超精細(xì)光譜圖像系列，也能合成出被檢查組織部位的常規(guī)白光彩色圖像(13)，用于標(biāo)記癌變的位置。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，癌變組織和正常組織的漫反射光譜和熒光光譜呈現(xiàn)出特征差異。計(jì)算機(jī)(6)對(duì)這些光譜特征進(jìn)行分析從而達(dá)到判別和確定癌變病灶漫延程度及定位的目的。
圖3所示為探頭(2)的端面結(jié)構(gòu)。探頭(2)為圓柱形，由二個(gè)照明通道(20)，一個(gè)成像通道(21)，和一個(gè)器械通道(22)所組成。
圖4為探頭(2)的側(cè)視圖。照明通道(20)由分叉的光纜(23)所組成，此光纜接收從光源(3)而來(lái)的照明光，然后分為兩束光照射在組織表面(26)。利用兩束照明光更利于取得成像視場(chǎng)內(nèi)的均勻照明。成像通道(21)由透鏡(25)和成像光纜(24)所組成，透鏡(25)將組織表面(26)成像于光纜(24)，然后將圖像傳輸至位于探頭以外的光纜(24)的另一端供超精細(xì)光譜成像之用。器械通道(22)用于即時(shí)活檢和治療由本系統(tǒng)所診斷并定位的癌癥病灶。(35)為光波導(dǎo)。
圖5是該發(fā)明超精細(xì)光譜成像系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。光源(3)由高壓弧燈(31)，拋物線型聚光鏡(32)，濾光片轉(zhuǎn)盤(33)，和聚焦透鏡(34)組成。光波導(dǎo)(35)將照明光傳輸至探頭(2)中照明通道(20)中分叉照明光纜的共同端面。光波導(dǎo)(35)可為光纜束或液體光波導(dǎo)。高壓弧燈(31)可為高壓氙燈或高壓水銀燈。濾光片轉(zhuǎn)盤上裝有至少4個(gè)不同的濾光片以產(chǎn)生寬帶白光照明(400nm-800nm)用于組織漫反射超精細(xì)光譜成像或窄帶激發(fā)光用于組織自體熒光超精細(xì)光譜成像。典型激發(fā)光譜范圍為355nm-375nm，400nm-420nm，和430nm-450nm。探頭(2)從子宮頸(1)收集到的漫反射光或組織自體熒光由成像光纜(24)傳輸至準(zhǔn)直透鏡(37)產(chǎn)生一準(zhǔn)直光束照射在可調(diào)濾光器(38)上?？烧{(diào)濾光器(38)一次只允許5nm左右?guī)挼墓馔ㄟ^(guò)，其他波長(zhǎng)的光都被屏蔽掉。傳輸窄帶光束的波長(zhǎng)位置可由計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)。傳輸通過(guò)可調(diào)濾光器(38)的光束經(jīng)由成像透鏡(39)聚焦成像于CCD電荷耦合器件(40)上產(chǎn)生一幅被檢子宮頸表面在所選波段的圖像。在一次組織漫反射超精細(xì)光譜成像或組織自體熒光超精細(xì)光譜成像測(cè)量中，在400nm-800nm范圍內(nèi)，以5nm為間距可產(chǎn)生80幅不同窄帶波段的圖像如圖2中(11)所示，含有豐富的診斷信息。對(duì)這80幅圖像進(jìn)行處理可為每一像元產(chǎn)生一條漫反射光譜曲線或幾條不同激發(fā)波長(zhǎng)下，組織自體熒光光譜曲線。相比常規(guī)組織表面白光彩色成像或自體熒光成像僅在幾個(gè)寬帶波段獲取圖像，不含精細(xì)光譜信息。而常規(guī)光譜分析只在組織表面一個(gè)固定點(diǎn)而不是在所有像元產(chǎn)生光譜曲線?？梢姵?xì)光譜成像所含信息量之多。實(shí)驗(yàn)表明此方法不但可以大大提高早期癌癥的診斷準(zhǔn)確性，還可精確定位和確定病灶漫延的程度。一旦病灶定位以后，也可經(jīng)由器械通道(22)取活檢供進(jìn)一步確定癌變階段。最后的定位治療也可在本系統(tǒng)的指導(dǎo)下經(jīng)由器械通道(22)來(lái)進(jìn)行。這一設(shè)計(jì)特別方便子宮頸癌冷凍治療、激光治療、和高頻電流切割治療的操作。
圖6是一種由濾光片轉(zhuǎn)盤來(lái)實(shí)現(xiàn)的可調(diào)濾光器(38)。濾光片轉(zhuǎn)盤(41)上可安放10片不同的窄帶濾光片(42)，每片帶寬為5nm左右。轉(zhuǎn)盤上另有一個(gè)無(wú)濾光片的開口(43)。整個(gè)轉(zhuǎn)盤由計(jì)算機(jī)(6)所控制的步進(jìn)馬達(dá)操縱，將不同濾光片置于成像光束通道的位置，從而達(dá)到只讓所選擇的窄帶光束通過(guò)的目的。一個(gè)轉(zhuǎn)盤只能選擇10個(gè)不同波長(zhǎng)的窄帶光束，所以需采取8個(gè)轉(zhuǎn)盤迭加的方式(44)來(lái)獲取80個(gè)不同波長(zhǎng)的窄帶光束來(lái)覆蓋整個(gè)400nm-800nm的波長(zhǎng)范圍。圖6中的無(wú)濾光片開口(43)就是為此目的而設(shè)計(jì)。當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)盤上的濾光片不被用來(lái)產(chǎn)生所需要波長(zhǎng)的窄帶光束時(shí)，該轉(zhuǎn)盤的開口(43)被置于成像光束通過(guò)的位置以便不影響其它轉(zhuǎn)盤的工作。在任一工作時(shí)刻，總有七個(gè)轉(zhuǎn)盤的開口(43)被置于成像光束通過(guò)的位置，而另一個(gè)轉(zhuǎn)盤上的一個(gè)濾光片會(huì)對(duì)準(zhǔn)成像光束用來(lái)選擇相應(yīng)波長(zhǎng)的窄帶光束。
圖7是用聲光器件來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾光器(38)的示意圖。該聲光器件(50)由晶體(51)，聲波傳感器(52)和聲波吸收體(53)所組成。傳輸窄帶光束的波長(zhǎng)由射頻信號(hào)(57)的頻率來(lái)控制。最常用的晶體為TeO2，聲波(58)和光束(54)沿不同方向傳播。一個(gè)由射頻信號(hào)(57)驅(qū)動(dòng)的聲波傳感器(52)被固定在TeO2晶體的一端，另一端附有聲波吸收體(53)。當(dāng)聲波(58)通過(guò)晶體(51)時(shí)，引起晶格壓縮與擴(kuò)張，導(dǎo)致晶體折射率的變化而充當(dāng)一個(gè)透射式光柵。此透射式光柵與常規(guī)衍射光柵不同，只有一個(gè)窄帶波長(zhǎng)的光被衍射從而充當(dāng)一個(gè)濾光片的功能。這是因?yàn)檠苌浒l(fā)生于三維空間但衍射圖樣隨時(shí)間而變化。衍射窄帶光束強(qiáng)度分為兩束(+)光束(55)和(-)光束(56)，他們是相互垂直的偏振光。為了將該聲光器件當(dāng)可調(diào)濾光器使用，一個(gè)光闌(59)被用來(lái)屏蔽掉沒有被衍射的零級(jí)寬帶光束(60)和衍射的窄帶光束之一(56或55)。而另一衍射的窄帶光束(55或56)則用來(lái)成像于CCD器件。該聲光器件可調(diào)濾光片的特點(diǎn)在于波長(zhǎng)調(diào)節(jié)速度快，可達(dá)幾十微秒的量級(jí)。
另外一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾光器的方式為液晶可調(diào)濾光器，其傳輸窄帶波長(zhǎng)由加于液晶兩端的直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)，其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換速度為15毫秒左右。
圖8為癌變組織與正常組織漫反射光譜曲線(60)差異的示意圖。通常癌變組織表層增厚，細(xì)胞數(shù)量增多，細(xì)胞核大小也會(huì)與正常細(xì)胞不一樣，血流量也相應(yīng)增加。這些變化導(dǎo)致癌變組織反射率(62)比正常組織反射率(61)低，且兩個(gè)血紅蛋白吸收谷底((63)和(64)，對(duì)應(yīng)540nm和580nm)變深。從這一光譜曲線可以定義數(shù)個(gè)特征參量來(lái)幫助識(shí)別癌變組織與正常組織。典型的特征參量包括反射率平均強(qiáng)度，血紅蛋白吸收谷大小，在特定波段曲線的斜率等等。
圖9為癌變組織與正常組織自體熒光光譜曲線(70)差異的示意圖。通常癌變組織內(nèi)熒光物質(zhì)的含量與分布，諸如tryptophan，NADH，F(xiàn)AD，Collagen，elastin和porphyrin會(huì)與正常組織內(nèi)不同。例如collagen和elastin的減少會(huì)使癌變組織的熒光強(qiáng)度(72)比正常組織(71)低，而porphyrin的增加會(huì)使癌變組織紅光波段的熒光相對(duì)增強(qiáng)。圖9所示為典型正常組織與癌變組織的熒光差異，即癌變組織整體熒光強(qiáng)度變低，峰值波長(zhǎng)(73)紅移，長(zhǎng)波積分強(qiáng)度(74)(在500nm-600nm的范圍內(nèi))與短波積分強(qiáng)度(75)(在400nm-500nm范圍內(nèi))之比增加。與漫反射光譜曲線相似地，我們可為熒光光譜曲線定義數(shù)個(gè)特征參量來(lái)幫助癌變組織與正常組織的識(shí)別。典型熒光光譜特征參量包括積分強(qiáng)度(74，75)，峰值波長(zhǎng)(73)，長(zhǎng)波積分強(qiáng)度(74)(在500nm-600nm范圍內(nèi))與短波積分強(qiáng)度(75)(在400nm-500nm范圍內(nèi))之比等等。
從組織漫反射超精細(xì)光譜圖像數(shù)據(jù)，我們可為每一像元(即被檢測(cè)組織表面每一點(diǎn))產(chǎn)生一條漫反射光譜曲線。而從組織自體熒光超精細(xì)光譜圖像數(shù)據(jù)，可為每一像元產(chǎn)生一條在355nm-375nm窄帶紫外光激發(fā)下的自體熒光光譜曲線，一條在400nm-420nm窄帶藍(lán)光激發(fā)下的自體熒光光譜曲線，和一條在430nm-450nm窄帶藍(lán)光激發(fā)下的自體熒光光譜曲線，或其它波長(zhǎng)光激發(fā)下的自體熒光光譜曲線。對(duì)每一條光譜曲線，可以計(jì)算出前述數(shù)個(gè)特征參量。對(duì)從大量病人所獲取的臨床數(shù)據(jù)，可建立一個(gè)以這些特征參量為自變量的甄別函數(shù)來(lái)定量地判別每一像元對(duì)應(yīng)組織的狀態(tài)是否癌變。一旦甄別函數(shù)建立之后，可建立不同的閾值范圍來(lái)對(duì)組織進(jìn)行分類，例如甄別函數(shù)值在0-1之間為正常組織，1-2之間為前期癌癥，2-3之間為早期癌癥，3-4之間為晚期癌癥等等。
圖10為系統(tǒng)詳細(xì)操作程序及數(shù)據(jù)分析軟件示意圖。如圖10a所示，診斷程序開始(100)后，先進(jìn)入系統(tǒng)初始化(101)，包括預(yù)熱光源(3)，開計(jì)算機(jī)(6)，開可調(diào)濾光器(38)之驅(qū)動(dòng)器，開濾光片轉(zhuǎn)盤(33)驅(qū)動(dòng)器，開CCD器件(40)電源，將探頭(2)伸入陰道等等。初始化完成后，系統(tǒng)先進(jìn)入漫反射超精細(xì)光譜成像模式(102)，在此，由濾光片轉(zhuǎn)盤(33)使光源(3)提供400nm-800nm寬帶照明，經(jīng)光波導(dǎo)(35)和照明光纜(23)照射在被檢測(cè)宮頸組織表面(26)，透鏡(25)收集從組織表面反饋漫反射光信號(hào)并成像于成像光纜(24)，成像光纜將圖像信號(hào)傳輸至探頭外供進(jìn)一步分析。舉例說(shuō)，計(jì)算機(jī)控制可調(diào)濾光器(38)通過(guò)第一窄帶波段(400nm-405nm)的組織表面反饋光信號(hào)(103)緊接著CCD器件(40)獲取第一窄帶波段(400nm-405nm)圖像(104)，隨后系統(tǒng)以5nm為間隔依次獲取總共80幅不同窄帶波段，共含蓋400nm-800nm波長(zhǎng)范圍的系列圖像(直至完成105，106)。這一系列圖像構(gòu)成超精細(xì)光譜成像數(shù)據(jù)。整個(gè)從(104)至(106)的過(guò)程即為超精細(xì)光譜成像(107)。在這一過(guò)程中，光源(3)一直提供400nm-800nm的寬帶持續(xù)照明。與CCD的靈敏度和反饋光信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)，此過(guò)程可持續(xù)數(shù)秒至數(shù)十秒鐘。
如圖10所示，下一步系統(tǒng)進(jìn)入常規(guī)白光彩色成像模式(108)?？烧{(diào)濾光器順序通過(guò)400nm-500nm組織表面反饋光信號(hào)，CCD器件采集藍(lán)光波段基色圖像一幅(109)，然后可調(diào)濾光器順序通過(guò)500nm-600nm組織表面反饋光信號(hào)，CCD器件采集綠光波段基色圖像一幅(110)，然后可調(diào)濾光器順序通過(guò)600nm-700nm組織表面反饋光信號(hào)，CCD器件采集紅光波段基色圖像一幅(111)。此后計(jì)算機(jī)從紅、綠、藍(lán)三基色圖像合成出常規(guī)白光彩色圖像(112)。從109至112的整個(gè)過(guò)程統(tǒng)稱常規(guī)白光彩色成像(113)此過(guò)程當(dāng)在1秒之內(nèi)完成。在此過(guò)程中，光源(3)一直提供400nm-800nm的持續(xù)照明。
下一步系統(tǒng)進(jìn)入自體熒光超精細(xì)光譜成像模式(114)，濾光片轉(zhuǎn)盤(33)讓光源(3)提供355nm-375nm窄帶激發(fā)照明光，系統(tǒng)然后完成400nm-800nm的超精細(xì)光譜成像(115)。隨后系統(tǒng)完成400nm-420nm窄帶激發(fā)照明下的自體熒光超精細(xì)光譜成像(116與117)。接著，系統(tǒng)完成430nm-450nm窄帶激發(fā)光照明下的超精細(xì)光譜成像(118與119)。
下一步系統(tǒng)進(jìn)入超精細(xì)光譜圖像處理(120)，為每一像元產(chǎn)生一條漫反射光譜曲線(121)，一條355nm-375nm激發(fā)之熒光光譜曲線(122)，一條400nm-420nm激發(fā)之熒光光譜曲線(123)，一條430nm-450nm激發(fā)之熒光光譜曲線(124)。
如圖10c所示，下一步為光譜特征提取(125)，如圖8，圖9所示，漫反射光譜典型特征參量包括反射率平均強(qiáng)度，血紅蛋白吸收谷大小，和在特定波段曲線的斜率等等，而自體熒光光譜典型特征參量包括積分強(qiáng)度，峰值波長(zhǎng)，長(zhǎng)波積分強(qiáng)度與短波積分強(qiáng)度之比等等。
下一步為在這些特征參量基礎(chǔ)上的甄別函數(shù)分析來(lái)確定每一像元病變狀態(tài)(126)，例如甄別函數(shù)值在0-1之間為正常組織，1-2之間為前期癌癥，2-3之間為早期癌癥，3-4之間為晚期癌癥等等。
下一步系統(tǒng)在常規(guī)白光彩色圖像上標(biāo)明病變位置與漫延程度(127)。隨后系統(tǒng)進(jìn)入常規(guī)白光彩色成像模式(128)，并保持在連續(xù)常規(guī)白光彩色成像(129)以指導(dǎo)通過(guò)探頭(2)之器械通道(22)的組織取樣(活檢)或定位治療(130)。
權(quán)利要求
1.一種超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)，其包括探頭(2)，光源(3)，圖像數(shù)據(jù)采集器(4)，系統(tǒng)控制電路(5)，計(jì)算機(jī)(6)和顯示器(7)，其特征在于探頭(2)由照明通道(20)，成像通道(21)和器械通道(22)組成，成像通道(21)含可調(diào)濾光器(38)和CCD成像器件(40)。
2.權(quán)利要求1所述的超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)，其中光源(3)由高壓弧燈(31)，聚光鏡(32)，濾光片轉(zhuǎn)盤(33)和聚焦透鏡(34)組成，其特征在于光源(3)提供供漫反射光譜成像的波長(zhǎng)為400nm-800nm的寬帶白光，及供組織自體熒光光譜成像的波長(zhǎng)為355-375nm、400nm-420nm或430nm-450nm的窄帶紫外光或藍(lán)光。
3.權(quán)利要求1的成像儀或系統(tǒng)，其特征在于可調(diào)濾光器一次只允許5nm左右波長(zhǎng)的光通過(guò)，且通過(guò)可調(diào)濾光器的400nm-800nm波長(zhǎng)范圍的光產(chǎn)生80幅圖像。
4.權(quán)利要求1-3任一要求的成像儀或系統(tǒng)，其特征在于探頭(2)由照明通道(20)，成像通道(21)，和器械通道(22)所組成，照明通道(20)傳輸成像所需照明光，成像通道(21)傳輸成像的光信號(hào)，而器械通道(22)可用于對(duì)定位病灶進(jìn)行活檢與治療。
5.權(quán)利要求3的成像儀或系統(tǒng)，其中高壓弧燈(31)為高壓氙燈或高壓水銀燈，可調(diào)濾光器(38)為濾光片轉(zhuǎn)盤或聲光可調(diào)濾光器(50)或液晶可調(diào)濾光器。
6.權(quán)利要求1-5任一的成像儀或系統(tǒng)，其中漫反射超精細(xì)光譜圖像如下獲得A.將探頭(2)與被檢測(cè)組織如陰道接觸；B.光源(3)提供400nm-800nm的寬帶照明光，經(jīng)光波導(dǎo)(35)，照明光纜(23)照射在被檢測(cè)宮頸組織表面(26)；C.透鏡(25)收集從組織表面(26)反饋回來(lái)的漫反射光信號(hào)并成像于成像光纜(24)；D.成像光纜(24)將成像光信號(hào)傳輸至準(zhǔn)直透鏡(37)產(chǎn)生平行光束照射在可調(diào)濾光器(38)上；E.可調(diào)濾光器依次選擇80個(gè)5nm寬的窄帶波段通過(guò)并由成像透鏡(39)聚焦至CCD器件來(lái)獲取在(400nm-800nm)范圍內(nèi)80幅不同的圖像(超精細(xì)光譜圖像系列(11))。
7.權(quán)利要求1-5任一要求的成像儀或系統(tǒng)，其中，常規(guī)白光彩色圖像如下獲得A.光源(3)提供400nm-800nm寬帶照明光照射在被檢測(cè)組織如子宮頸組織表面；B.讓可調(diào)濾光器(38)順序通過(guò)400nm-500nm范圍組織表面反饋光信號(hào)讓CCD器件(40)采集一幅藍(lán)光波段基色圖像；C.讓可調(diào)濾光器(38)順序通過(guò)500nm-600nm范圍組織表面反饋光信號(hào)讓CCD器件(40)采集一幅綠光波段基色圖像；D.讓可調(diào)濾光器(38)順序通過(guò)600nm-700nm范圍組織表面反饋光信號(hào)讓CCD器件(40)采集一幅紅光波段基色圖像；E.計(jì)算機(jī)從這三幅紅、綠、藍(lán)三基色圖像合成一幅常規(guī)白光彩色圖像。
8.權(quán)利要求1-5任一要求的成像儀或系統(tǒng)，其中自體熒光超精細(xì)光譜圖像如下獲得A.光源(3)提供355nm-375nm窄帶激發(fā)光，或400nm-420nm窄帶激發(fā)光，或430nm-450nm窄帶激發(fā)光照射在被檢測(cè)宮頸組織表面(26)；B.可調(diào)濾光器依次通過(guò)不同中心波長(zhǎng)的5nm寬窄帶波段的組織表面反饋熒光光信號(hào)供CCD采集熒光超精細(xì)光譜圖像系列(11)。
9.權(quán)利要求1-5任一要求的成像儀或系統(tǒng)，其中光譜圖像由像元組成且每一像元產(chǎn)生下面四條光譜曲線A.漫反射光譜曲線；B.355nm-375nm紫外光激發(fā)自體熒光光譜曲線；C.400nm-420nm藍(lán)光激發(fā)自體熒光光譜曲線；D.430nm-450nm藍(lán)光激發(fā)自體熒光光譜曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及超精細(xì)光譜成像儀或系統(tǒng)，其可用于癌癥如子宮頸癌的光學(xué)診斷、定位及治療。
文檔編號(hào)G01N21/64GK1474175SQ0311074
公開日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2003年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月15日
發(fā)明者黃鷹, 高玉蘭, 傅茶香, 黃 鷹 申請(qǐng)人:黃鷹, 黃 鷹