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一種三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)及其成像方法

文檔序號:8503448閱讀:789來源:國知局
一種三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及乳腺成像技術(shù),具體涉及一種包括光聲層析成像技術(shù)、超聲成像和X射線乳腺成像的三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)及其成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計,全世界每年有120萬婦女患乳腺癌,50萬婦女死于乳腺癌,其發(fā)病率以每年2%?8%的速度遞增。目前每年大約有I億女性進行乳腺篩查。超聲成像(Ultrasound)和X射線乳腺成像術(shù)(Mammography)現(xiàn)已被廣泛用于早期乳腺癌的篩查。超聲檢查雖然有無損無創(chuàng)、便攜的優(yōu)點,并且對實體瘤和囊性病變有很好的區(qū)分,但超聲檢查的靈敏性和特異性不足,對微小鈣化點成像不敏感,診斷結(jié)果嚴重受醫(yī)師個人經(jīng)驗影響;基于X射線的乳腺成像(包括X射線攝片和數(shù)字化層析X射線)對微小鈣化點有很好的辨別能力,但成像技術(shù)有輻射危害,而且對致密型乳房成像對比度差。
[0003]光聲層析成像(Photoacoustic tomography, PAT)技術(shù)是利用組織吸收脈沖激光后發(fā)出超聲的效應(yīng),通過探測超聲波,從而對組織內(nèi)光學(xué)吸收體成像的方法。由于近紅外光在組織體內(nèi)穿透深度高,PAT可以對深層組織進行高對比度和高分辨率的無損傷成像。與單純超聲成像不同,組織對光子的吸收能力反映了組織的分子成分及其功能。例如,血氧飽和度的改變直接影響血液對光學(xué)的吸收,因此PAT可以測量體內(nèi)血氧飽和度,這是腫瘤良惡性的一個重要生理指標。另一方面,腫瘤通常伴隨著血管增生,使得腫瘤部位的光學(xué)吸收高于正常乳腺組織,這也成為光聲層析成像的特異性信號源。目前光聲層析成像在臨床上仍未廣泛應(yīng)用,單獨使用不利于疾病確診分類。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題,本發(fā)明將光聲層析成像、X射線乳腺成像和超聲成像三個模態(tài)結(jié)合,形成一種三模態(tài)乳腺成像方法,并設(shè)計一臺乳腺成像設(shè)備,可以對乳腺組織的結(jié)構(gòu)、生理特征、病理特征、以及代謝功能進行無創(chuàng)成像,特別適合于乳腺癌的早期檢測和治療效果的持續(xù)監(jiān)控。X射線乳腺成像包括X射線攝片和數(shù)字化層析X射線。
[0005]本發(fā)明的一個目的在于提供一種三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的光聲層析成像與X射線乳腺成像模態(tài)間的轉(zhuǎn)換有兩種方式,可以通過將折光發(fā)散元件設(shè)置在運動平臺上實現(xiàn),即采用運動平臺的方式;也可以通過將X射線探測器和折光發(fā)散元件設(shè)置在轉(zhuǎn)換臺上實現(xiàn),即采用轉(zhuǎn)換臺的方式。
[0007]采用運動平臺的方式,本發(fā)明的三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)包括:機架、第一、第二和第三升降臺、壓板、透明板、X射線源、X射線探測器、超聲陣列、激光器、折光發(fā)散元件、運動平臺、數(shù)據(jù)采集卡和計算機;其中,第一、第二和第三升降臺分別固定在機架上,并且三者共軸;壓板、透明板和X射線探測器分別設(shè)置在第一、第二和第三升降臺上,分別沿升降臺的軸線可移動,并且壓板的平面法線、透明板的平面法線和X射線探測器的平面法線均與軸線平行;待測組織放置在壓板和透明板之間并固定;沿軸線方向,在壓板的外側(cè)設(shè)置X射線源,在透明板的外側(cè)設(shè)置X射線探測器;在壓板上設(shè)置超聲陣列,超聲陣列在壓板的表面探測光聲和超聲;沿垂直于軸線方向,激光器安裝在機架外的一端,折光發(fā)散元件安裝在運動平臺上并且隨運動平臺可移動,位于機架外的另一端;在X射線乳腺成像模態(tài)下,折光發(fā)散元件移出透明板外的區(qū)域,X射線探測器移至透明板外側(cè)正對待測組織;在光聲層析成像模態(tài)下,X射線探測器下移,通過運動平臺將折光發(fā)散元件移動至透明板外側(cè)正對待測組織,激光器發(fā)出的激光經(jīng)過折光發(fā)散元件反射并發(fā)散,透過透明板照射到待測組織。
[0008]采用轉(zhuǎn)換臺的方式,本發(fā)明的三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)包括:機架、第一、第二和第三升降臺、壓板、透明板、X射線源、X射線探測器、超聲陣列、激光器、折光發(fā)散元件、轉(zhuǎn)換臺、數(shù)據(jù)采集卡和計算機;其中,第一、第二和第三升降臺分別固定在在機架上,并且三者共軸;壓板、透明板和轉(zhuǎn)換臺分別設(shè)置在第一、第二和第三升降臺上,沿升降臺的軸線可移動,并且壓板的平面法線、透明板的平面法線和轉(zhuǎn)換臺的平面法線均與軸線平行;待測組織放置在壓板和透明板之間并固定;沿軸線方向,在壓板的外側(cè)設(shè)置X射線源,在透明板的外側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)換臺,折光發(fā)散元件和X射線探測器分別固定在轉(zhuǎn)換臺上;激光器安裝在機架外的一端;在壓板上設(shè)置超聲陣列,超聲陣列在壓板表面探測光聲和超聲;在乂射線乳腺成像模態(tài)下,轉(zhuǎn)換臺將X射線探測器設(shè)置在透明板外側(cè)正對待測組織;在光聲層析成像模態(tài)下,轉(zhuǎn)換臺將折光發(fā)散元件設(shè)置在透明板外側(cè)正對待測組織,激光器發(fā)出的激光經(jīng)過折光發(fā)散元件后,通過透明板照射到待測組織。
[0009]待測組織為乳房組織。超聲耦合介質(zhì)為超聲凝膠、水等對超聲波衰減小,并且聲阻抗和水接近的材料。壓板可以是對超聲波有良好穿透性的材料,譬如硅膠、低密度聚乙烯,其厚度根據(jù)所使用超聲陣列的中心頻率決定,超聲陣列的中心頻率越高,壓板需要越??;反之,超聲陣列的中心頻率越低,壓板厚度限制降低。透明板采用可以有效透過紅外光的材料,如亞克力、玻璃,在X射線乳腺成像模態(tài)下,透明板只提供一個恒定的背景信號,不對X射線乳腺成像模態(tài)產(chǎn)生影響。
[0010]激光器發(fā)出激光,激光可以通過光纖束導(dǎo)出,也可以由自由空間導(dǎo)出。激光經(jīng)過折光發(fā)散元件均勻地照射到待測組織的下表面,被待測組織內(nèi)的吸收體吸收后產(chǎn)生超聲波。激光器可以采用單色激光器或波長可調(diào)激光器。當采用波長可調(diào)激光器時,在完成一個波長的光聲層析成像后,更換激光波長,從而實現(xiàn)多光譜的激發(fā),獲得待測組織的功能影像。折光發(fā)散元件可采用平面鏡或棱鏡、凹透鏡組。
[0011]超聲陣列采用線陣列,在成像過程中進行掃描。
[0012]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種三模態(tài)乳腺成像方法。
[0013]采用運動平臺的方式,本發(fā)明的三模態(tài)乳腺成像方法,包括以下步驟:
[0014]I)將待測組織放置在壓板和透明板之間,并分別通過調(diào)整壓板和透明板沿第一和第二升降臺的軸線移動,使待測組織固定在壓板和透明板之間,在待測組織和壓板上分別涂抹超聲耦合介質(zhì),使得超聲陣列與待測組織之間充滿超聲耦合介質(zhì)而沒有空氣;
[0015]2)進行成像,成像分為三種模態(tài):
[0016]a)X射線乳腺成像模態(tài):將折光發(fā)散元件移出透明板外側(cè)的區(qū)域,將X射線探測器上移至透明板外側(cè)正對待測組織,開啟X射線源,X射線經(jīng)過待測組織后,由X射線探測器接收,并將結(jié)果傳輸至計算機;
[0017]b)光聲層析成像模態(tài):將X射線探測器下移,通過運動平臺將折光發(fā)散元件移動至透明板外側(cè)正對待測組織,激光器發(fā)出的激光經(jīng)過折光發(fā)散元件反射并發(fā)散,通過透明板照射到待測組織,產(chǎn)生光聲信號,超聲陣列在沿壓板表面水平方向掃描接收光聲信號并傳輸至數(shù)據(jù)采集卡,由計算機后續(xù)處理;
[0018]c)超聲成像模態(tài):超聲陣列發(fā)出超聲,利用超聲回波探測位于壓板和透明板之間區(qū)域的超聲信號,超聲陣列將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號并傳輸至數(shù)據(jù)采集卡,由計算機后續(xù)處理,超聲陣列沿壓板表面水平方向掃描全部待測組織,完成超聲成像模態(tài);根據(jù)需要,選擇上述三種模態(tài)中的兩種或三種進行排列組合,依次進行成像;
[0019]3)對不同模態(tài)下的成像進行分析,信息互補,圖像經(jīng)濾波、投影、融合后,準確判定腫瘤位置及大小。
[0020]其中,在步驟3)中,X射線圖像經(jīng)過組織后,有腫瘤和無腫瘤區(qū)域?qū)射線的吸收量不同,經(jīng)濾波后投影圖上根據(jù)X射線劑量判定腫瘤位置;光聲層析成像利用腫瘤對激光波長的特異性吸收,在腫瘤區(qū)域產(chǎn)生光聲信號,并根據(jù)光聲信號到達超聲陣列的時間進行三維空間重構(gòu),最終在掃描完成后得到待測組織的三維空間圖像;超聲成像利用超聲在不同組織界面的反射回波,對待測組織進行成像;三種模態(tài)成像對比度來源不同,信息互補,圖像經(jīng)濾波、投影、融合后,準確判定腫瘤位置及大小。
[0021]采用轉(zhuǎn)換臺的方式,本發(fā)明的三模態(tài)乳腺成像方法,包括以下步驟:
[0022]I)將待測組織放置在壓板和透明板之間,并分別通過調(diào)整壓板和透明板沿升降臺的軸線移動,使待測組織固定在壓板和透明板之間,在待測組織和壓板上分別涂抹超聲耦合介質(zhì),使得超聲陣列與待測組織之間充滿超聲耦合介質(zhì)而沒有空氣;
[0023]2)進行成像,成像分為三種模態(tài):
[0024]a) X射線乳腺成像模態(tài):轉(zhuǎn)換臺沿第三升降臺的軸線提升,通過轉(zhuǎn)換臺將X射線探測器移至透明板外側(cè)正對待測
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