專利名稱：對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種診斷人體皮膚組織病變程度的裝置和方法，確切地說，涉 及一種對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像，再通過對比健康組織的光 學(xué)特性，診斷和定量判斷人體皮膚組織病變程度的檢測裝置和方法，該方法也 可通過獲得的包括吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的光學(xué)常數(shù)而用于確定皮膚組織激 光理療或激光手術(shù)的劑量，屬于生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近紅外光(波長為600nm 1000nm)與生物組織的相互作用主要表現(xiàn)為弱 吸收、強散射的特性。這一波段的光照射到生物組織表面后，會穿透到一定的 深度再透射和反射出去。特別是由于光能夠穿透到生物組織表層下面比較深的 深度，使得透射和反射的光子攜帶有重要的生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。因此，這 一波段在醫(yī)學(xué)上被稱作"治療窗口"。目前，在"治療窗口"中開展的光動力學(xué) 治療、疾病診斷、組織成像研究已經(jīng)成為信息光學(xué)、光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的 研究熱點。
通常，人們將用近紅外光對生物組織成像稱為"組織光學(xué)成像"，或簡稱為 "光學(xué)成像，，。光學(xué)成像技術(shù)是根據(jù)人體組織所特有的光學(xué)特性對人體組織進行 分析，并與傳統(tǒng)的手術(shù)活檢相比較，屬于一種非侵入式的組織病理分析和檢測 方法。與X射線、CT和MRI等檢查相比，它不僅能夠避免離子插射，而且能 實現(xiàn)病理的早期診斷。由于光學(xué)成像技術(shù)具有極高的分辨率、靈敏度、精確度， 以及無損、安全、快速等優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的新近大力開拓的研 究和應(yīng)用領(lǐng)域，它的研究成果將直接服務(wù)于人類醫(yī)學(xué)，并有可能創(chuàng)造出新的高 科技產(chǎn)業(yè)。
目前，光學(xué)成像技術(shù)包括光學(xué)相干層析成像、激光散斑成像、擴散光子密度波成像、激光誘導(dǎo)熒光光譜成像、熒光壽命成像、偏振干涉成像、超聲調(diào)制 光學(xué)成像、時間分辨和非線性光學(xué)成像等眾多分支。光學(xué)成像技術(shù)已經(jīng)成為目 前應(yīng)用非常普遍的一種直接診斷疾病的方法，該方法用近紅外光作為光源，用
探測到的漫反射光或漫透射光強度直接成像。該光學(xué)成像的特點是由圖像上 的灰度變化將組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息直接反映出來，以便用眼睛就能夠直觀診斷 疾病。但是，該技術(shù)的不足也十分明顯，因為是用漫射光強度成像，而光強度 是個相對值，而病變組織與健康組織之間也沒有確定的強度數(shù)值可供參照。因 此，由強度圖像只能定性診斷疾病，難以判斷病變組織的病變程度，導(dǎo)致臨床 誤診率和漏診率較高。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常 數(shù)成像的裝置和方法，該方法是利用本發(fā)明的檢測裝置荻得的光學(xué)常數(shù)能夠定 量診斷病變組織的病變程度，以減少臨床誤診率和漏診率，本發(fā)明是一種無損、 實時、在體、低成本的人體皮膚成像方法。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué) 常數(shù)成像的裝置，包括鴒卣素?zé)艏捌涔饫w耦合輸出的入射光纖探頭，接收漫 反射光的線陣CCD和通過光纖順序連接的光柵光譜儀、放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路和計算機；其特征在于該裝置還設(shè)有 一個由所述計算機控制的三維 移動工作臺，該工作臺上設(shè)有可作三向移動的夾持桿，用于分別定位夾緊所述 入射光纖探頭和所述線陣CCD,以使該兩個部件能作為一個整體、并保持設(shè)定 距離和沿著設(shè)定的x、 y、 z三維方向進行同步整體移動，實現(xiàn)對皮膚組織表面 進行x - y平面的二維掃描，探測漫反射信號，以及在z方向的自由移動，以調(diào) 整它們到皮膚組織表面的距離，檢測得到包括吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的光學(xué) 常數(shù)，再用光柵光譜儀分光，利用得到的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)分別進行光 學(xué)成像，以便對病變皮膚組織和健康組織的光學(xué)常數(shù)進行對比，作出疾病的鑒 別和診斷。所述鴒卣素?zé)舭l(fā)出白色光，用于測量近紅外波段時所對應(yīng)不同波長的吸收
系數(shù)和約化散射系數(shù)，其輸出功率為0~100W，且連續(xù)可調(diào)；所述入射光纖探 頭的光入射角為30°~60°，其與被檢皮膚組織表面的距離為0.7 ~ 1.3mm;所述 線陣CCD的有效長度》28mm，其每一個像素單元面積不大于4pmxl4iLim， 總像素單元不小于2048，光語范圍為400nm 900nm，并且CCD的光敏面平行 于被檢組織表面；該線陣CCD與入射光纖探頭固連成為一體，要求探測平面與 入射平面相互平4亍，且兩者之間偏移距離Ay為1.3 ± 0.3mm。
所述被一企組織是人體皮膚組織、人體或動物的其它軟組織、或生物切片。 為了達到上述目的，本發(fā)明還提供了 一種使用上述^r測裝置對人體皮膚病 變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像的方法，其特征在于采用線陣CCD探測斜入射 漫反射光的光學(xué)測量裝置對人體皮膚組織進行;f笨測，用特征參量限定的Monte Carlo統(tǒng)計方法逆向求解被探測的皮膚組織表面在每個二維空間坐標上的吸收 系數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值，再用光柵光譜儀分光，利用得到的吸收系數(shù)和約 化散射系數(shù)的數(shù)值分別進行單波長成像，并同時對被檢測人體的病變組織及其 周邊的健康組織進行檢測，還對得到的兩者光學(xué)常數(shù)的差別進行對比，或?qū)⒉?變組織的光學(xué)常數(shù)與健康人體的組織樣本進行比較，以便進行疾病的診斷和鑒 別。
所述方法包括下列操作步驟
(1 )釆用線陣CCD探測光斜入射組織表面后的漫反射光，得到一維數(shù)組； (2 )用該一維數(shù)組求解得到偏移入射點設(shè)定距離處的吸收系數(shù)和約化散射
系數(shù)；
(3) 設(shè)置掃描范圍，求解組織表面的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)；
(4) 利用吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)進行光學(xué)成像； (5 )鑒別和診斷組織的病變程度。
所述步驟(1 )進一步包括下列操作內(nèi)容
(11 )用計算機控制三維移動工作臺的移動和線陣CCD的采樣同步進行 在三維移動工作臺的帶動下，每當線陣CCD和入射光纖探頭兩者移動到一個新位置，線陣CCD就接收到由組織表層產(chǎn)生的漫反射寬光譜一維信號；
(12 )將線陣CCD的采樣信號轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組存儲在計算機中所迷采樣 得到的漫反射寬光語一維信號經(jīng)由光柵光譜儀分光后，成為某一設(shè)定波長信號， 再經(jīng)由放大濾波電路和A/D變換電路分別進行信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 后，以一維數(shù)組形式存儲在計算機中；該一維信號的空間坐標線度為線陣CCD 的有效長度，若線陣CCD的每個像素單元面積不大于14nmxl化m，則共能夠 采集到至少2048個點，且該2048個數(shù)據(jù)以一維數(shù)組形式存儲在計算機中。 所述步驟(2)進一步包括下列操作內(nèi)容
(21)采用偏移測量法，即線陣CCD與入射光纖探頭相距一定距離，故得 到的一維數(shù)組是距離入射點相應(yīng)距離處的漫反射光強度數(shù)值；
(22 )用特征參量限定的Monte Carlo統(tǒng)計方法逆向求解皮月夫組織的吸收系 數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值將實際測量得到的組織表面某個位置的漫射光強度 的 一維數(shù)據(jù)，用Monte Carlo統(tǒng)計方法進行擬合后，得到 一條擬合曲線漫反射 強度曲線，該曲線存在的一個峰值，是該曲線的中心，該中心兩側(cè)的曲線形狀 不對稱；將實際測量得到的兩個物理量線陣CXXM冢測到的漫反射強度曲線的 中心與光束入射點的偏移量Ax和曲線不對稱度;k，分別作為表征皮膚組織特征 的兩個參量，在對入射點進行吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的擬合時，用于限制可 能的數(shù)值范圍，以便能在顯著減少計算量的前提下，保證計算結(jié)果的精確，并 具有實際意義；所述偏移量Ax與曲線不對稱度y都為實際測量數(shù)值，它們與吸 收系數(shù)和約化散射系數(shù)有直接的關(guān)系。
所述步驟(3)進一步包括下列操作內(nèi)容
(31 )預(yù)設(shè)對皮膚組織的掃描范圍，并將預(yù)設(shè)的皮膚組織表面劃分成多個 格點，以便使用線陣CCD掃描采樣時，按照格點采集數(shù)據(jù)，即將每個格點作為 光源入射點；
(32)線陣CCD掃描到每個格點處，都按照步驟(2)的4喿作方法求解該 格點處的一對吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值；這樣，當整個預(yù)設(shè)范圍的掃描 完成后，計算機內(nèi)就存儲了該掃描的空間位置所對應(yīng)的光學(xué)常數(shù)二維矩陣數(shù)據(jù)空間坐標與吸收系數(shù)的矩陣、空間坐標與約化散射系數(shù)的矩陣。
所述步驟(4)進一步包括下列操作內(nèi)容將所述光學(xué)常數(shù)二維矩陣的數(shù)據(jù) 分別換算成256個灰度級，并轉(zhuǎn)換成彩色或黑白數(shù)字圖像，則該兩個矩陣分別 對應(yīng)吸收系數(shù)圖像和約化散射系數(shù)圖像；然后，根據(jù)病變組織的光學(xué)常數(shù)，對 吸收系數(shù)圖像和約化散射系數(shù)圖像分別設(shè)定各自的閾值，并依據(jù)閾值將圖像中 的病變組織的邊界提取出來，同時進行數(shù)字濾波、去噪等信號處理，得到清晰 的圖像。
所述步驟(5)進一步包括下列操作內(nèi)容同時對被檢測個體的病變組織及 其周邊的健康組織進行;險測，以便能夠通過對比得到兩者的光學(xué)常數(shù)差別來進 行疾病的鑒別和診斷；或者將病變組織的光學(xué)常數(shù)與大量的其他人體的健康組 織樣本進行對比，作出疾病的鑒別和診斷。
在進行疾病的鑒別和診斷時，需要參考多個不同波長處的光學(xué)常數(shù)。
本發(fā)明是一種對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像的檢測裝置和檢 測方法，具有下述多項創(chuàng)新技術(shù)特點
首次創(chuàng)新提出的無損光學(xué)常數(shù)成像即采用人體組織的特征光學(xué)參數(shù)-皮 膚組織的吸收系數(shù)成像和約化散射系數(shù)成像的新概念，該圖像與傳統(tǒng)的光強度 圖像不同，它不僅能夠通過圖像的灰度對疾病作出定性診斷；更重要的是，借 助定量的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)，再參照被檢測個體自身的健康組織和病變 組織的光學(xué)常數(shù)樣本，或者利用其他人體相同部位的健康組織和病變組織光學(xué) 常數(shù)樣本，能夠從圖像上直接對組織的病變程度進行直觀比較和定量診斷。
為此，本發(fā)明采用光源傾斜入射及探測漫反射光的具體檢測方法，有利于 皮膚組織光學(xué)性質(zhì)的檢測和成像。其中光源傾斜入射會造成漫反射的空間分布 中點與光的入射點之間存在一個位移Ax，本發(fā)明將這個斜入射造成的漫反射分 布中心與光束入射點之間的偏移量作為特征算法中的一個重要參量對皮膚組織 光學(xué)常數(shù)的解加以限制；再將漫反射的空間分布的不對稱度設(shè)為另 一個特征參 量，進一步限定解的范圍。再采用與入射面不同而平行的探測平面，即入射面 與探測平面之間也存在一個位移Ay，并選擇4y的取值在2~3個平均自由程之間，以克服光入射點附近數(shù)值不準確的缺陷。由于本發(fā)明采用線陣CCD探測空間任
意一點的光學(xué)常數(shù)技術(shù)即探測光入射點附近的漫反射光強，能夠得到較強的
多次漫反射光信號，可以不必刻意分離和消除長程漫射光，能夠保證光學(xué)常數(shù) 的精確性，從而保證成像質(zhì)量。再對漫反射光強的一維空間分布，采用提取特
征參量限定的Monte Carlo逆算法進行擬合，能夠得到光入射點處的吸收系數(shù)和 約化散射系數(shù)的物理解和精確解。最后，在對被檢測個體的自身健康組織和病 變組織同時進行檢測的前提下，通過對比兩者的光學(xué)常數(shù)差別，來鑒別病變組 織的病變程度，因此，本發(fā)明的方法，既簡單實用、又容易實現(xiàn)。
此外，本發(fā)明的檢測裝置采用線陣CCD和計算機控制的三維精密移動工作 臺，綜合運用電子信號處理技術(shù)與高效濾波數(shù)字圖像處理技術(shù)，保證其光學(xué)成 像具有高分辨率和高清晰度；該裝置的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作穩(wěn)定，自動化 程度高，實用性強。采用該;險測裝置，既能實現(xiàn)實時無損光譜成像，也能夠?qū)?現(xiàn)實時無損檢測光學(xué)常數(shù)譜。總之，本發(fā)明具有很好的推廣應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像的裝置結(jié)構(gòu)組成 示意圖。
圖2是本發(fā)明無損光學(xué)常數(shù)成像的裝置在組織表面上的入射面與接收面的 示意圖。
圖3是本發(fā)明對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像的裝置檢測方法 的流程圖。
圖4是檢測方法中的中心偏移量Ax和曲線不對稱度y示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作 進一步的詳細描述。
參見圖1,介紹采用線陣CCD探測光斜入射組織表面后的漫反射光的本發(fā)明對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像的裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理
該裝置包括鎢鹵素?zé)?、入射光纖探頭8,接收漫反射光的線陣CCD9和通 過光纖順序連接的光柵光譜儀2、放大濾波電路3、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4、計算機5 和由計算機5控制的、帶有三向移動的夾持桿7的三維移動工作臺6。
其中用于測量近紅外波段時所對應(yīng)不同波長的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)、 輸出功率為0 100W，且連續(xù)可調(diào)的鎢卣素?zé)鬺發(fā)出白色光束，經(jīng)光纖(纖芯 直徑為60jam，數(shù)值孔徑為0.22)耦合后，以30°~60°的入射角照射到被檢皮 膚組織(仿體材料、離體組織、在體組織)表面，入射光纖探頭6與組織表面 的距離是0.7 1.3mm。線陣CCD 9的有效長度> 28mm,其每一個像素單元面 積不大于14|timxl4nm,總像素單元不小于2048，光譜范圍為400nm 900nm， 并且CCD的光敏面平行于被檢組織表面。藉由三維移動工作臺6的夾持桿7 的夾緊固定，使得線陣CCD9與入射光纖探頭6固聯(lián)為一體，并能保持設(shè)定距 離(參見圖2，兩者相距A"1.3士0.3mm)和沿著設(shè)定的x、 y、 z三維方向進行 同步整體移動，實現(xiàn)對皮膚組織表面進行x-y平面的二維掃描，探測漫反射信 號，以及在z方向的自由移動，以調(diào)整它們到皮膚組織表面的距離。
在計算機5的控制和三維移動工作臺6的帶動下，每當線陣CCD9和入射 光纖探頭8兩者移動到一個位置時，線陣CCD9就會接收到由組織表面產(chǎn)生的 漫反射寬光譜光強信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號。該電信號經(jīng)光柵光譜儀2分光 后，成為某一設(shè)定波長信號，將其輸入到放大濾波電路3中進行信號處理，處 理后的電信號再由A/D轉(zhuǎn)換電路4轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后輸送到計算機5中。 計算機里安裝的控制軟件，控制三維移動臺6的移動與信號采樣同步進行。當 探測線陣CCD 9與入射光纖探頭8完成對預(yù)設(shè)范圍的掃描后，計算機5的內(nèi)存 就存儲了漫反射光強度信號與空間位置對應(yīng)的二維矩陣數(shù)據(jù)。再利用得到的吸 收系數(shù)和約化散射系數(shù)分別進行光學(xué)成像，就能夠?qū)Σ∽兤つw組織和健康組織 的光學(xué)常數(shù)進行對比，作出疾病的鑒別和診斷。本發(fā)明裝置采用白光源的目的 是為了測量近紅外波段對應(yīng)不同波長的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)。
下面介紹本發(fā)明使用上述裝置對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像的方法采用線陣CCD探測斜入射漫反射光的光學(xué)測量裝置對人體皮膚組織進 行探測，用特征參量限定的Monte Carlo統(tǒng)計方法逆向求解凈皮探測的皮膚組織表 面在每個二維空間坐標上的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值，再用光柵光譜儀
分光，利用得到的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值分別進行單波長成像，并同 時對被檢測人體的病變組織及其周邊的健康組織進行檢測，還對得到的兩者光 學(xué)常數(shù)的差別進行對比，或?qū)⒉∽兘M織的光學(xué)常數(shù)與健康人體的組織樣本進行 比較，以便進行疾病的診斷和鑒別。該方法的操作步驟如下(參見圖3):
步驟l、采用線陣CCD探測光斜入射組織表面后的漫反射光，得到一維數(shù) 組。該步驟又可細分為下述操作內(nèi)容
(11 )用計算機控制三維移動工作臺的移動和線陣CCD的采樣同步進行 在三維移動工作臺的帶動下，每當線陣CCD和入射光纖探頭兩者移動到 一個新 位置，線陣CCD就接收到由組織表層產(chǎn)生的漫反射寬光譜一維信號；
(12 )將線陣CCD的采樣信號轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組存儲在計算機中所述采樣 得到的漫反射寬光譜一維信號經(jīng)由光柵光譜儀分光后，成為某一設(shè)定波長信號， 再經(jīng)由放大濾波電路和A/D變換電路分別進行信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 后，以一維數(shù)組形式存儲在計算機中；該一維信號的空間坐標線度為線陣CCD 的有效長度，若線陣CCD的每個像素單元面積不大于14^imxl4(im，則共能夠 采集到至少2048個點的光學(xué)參數(shù)，且該2048個數(shù)據(jù)以一維數(shù)組形式存儲在計 算機中。
步驟2、用該一維數(shù)組求解得到偏移入射點設(shè)定距離處的吸收系數(shù)和約化 散射系數(shù)。該步驟又可細分為下述操作內(nèi)容
(21)采用偏移測量法，即線陣CCD與入射光纖探頭相距一定距離，故得 到的 一維數(shù)組是距離入射點相應(yīng)距離處的漫反射光數(shù)值；
(22 )用特征參量限定的Monte Carlo統(tǒng)計方法逆向求解皮膚組織的吸收系 數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值將實際測量得到的組織表面某個位置的漫射光強度 的 一維數(shù)據(jù)，用Monte Carlo統(tǒng)計方法進行擬合后，得到 一條擬合曲線漫反射 強度曲線，該曲線存在的一個峰值，也是該曲線的中心，該中心兩側(cè)的曲線形狀不對稱；將實際測量得到的兩個物理量線陣CCD探測到的漫反射強度曲線 的中心與光束入射點的偏移量Ax和曲線不對稱度y,分別作為表征皮膚組織特 征的兩個參量，在對入射點進行吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的擬合時，用于限制 可能的數(shù)值范圍，以便能在顯著減少計算量的前提下，保證計算結(jié)果的精確， 并具有實際意義。
參見圖4，介紹兩個所實際測量數(shù)值偏移量Ax與曲線不對稱度y,它們 與吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)有關(guān)。圖中的橫坐標是線陣CCD的空間位置，縱坐 標是漫反射光強度，圖中的符號"■"是線陣CCD探測的原始光強數(shù)據(jù)，分布 在直線2的兩側(cè)(為了說明方便，圖中只畫出幾個數(shù)據(jù)點，實際測量數(shù)據(jù)有許 多個)。連續(xù)曲線則是用特征參量限定的Monte Carlo統(tǒng)計方法逆向求解擬合的 曲線，它的中心(峰值處)與光的入射點之間的偏移量用Ax表示。
該連續(xù)曲線的不對稱度y定義為^;==;=之若n，
直線2右側(cè)的漫射光強度乙和 則Ax-O,即漫反射強度曲線的中心與光束入射點重合；若/#1,則Ax-0，即 漫反射強度曲線的中心與光束入射點不重合。
步驟3、設(shè)置掃描范圍，求解組織表面的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)。該步 驟又可細分為下述操作內(nèi)容
(31) 預(yù)設(shè)對皮膚組織的掃描范圍，并將預(yù)設(shè)的皮膚組織表面劃分成多個 格點，以便使用線陣CCD掃描采樣時，按照格點采集數(shù)據(jù)，即將每個格點作為 光源入射點；
(32) 線陣CCD掃描到每個格點處，都按照步驟(2)的操作方法求解該 格點處的一對吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值；這樣，當整個預(yù)設(shè)范圍的掃描 完成后，計算機內(nèi)就存儲了該掃描的空間位置所對應(yīng)的光學(xué)常數(shù)二維矩陣數(shù)據(jù) 空間坐標與吸收系數(shù)的矩陣、空間坐標與約化散射系數(shù)的矩陣。
步驟4、利用吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)進行光學(xué)成像將上述步驟得到的 光學(xué)常數(shù)二維矩陣的數(shù)據(jù)分別換算成256個灰度級，并轉(zhuǎn)換成彩色或黑白數(shù)字 圖像，則該兩個矩陣分別對應(yīng)吸收系數(shù)圖像和約化散射系數(shù)圖像；然后，根據(jù)病變組織的光學(xué)常數(shù)，對吸收系數(shù)圖像和約化散射系數(shù)圖像分別設(shè)定各自的閾 值，并依據(jù)閾值將圖像中的病變組織的邊界提取出來，同時進行數(shù)字濾波、去 噪的信號處理，得到清晰的圖像。
步驟5、鑒別和診斷組織的病變程度同時對被;險測個體的病變組織及其 周邊的健康組織進行檢測，以便能夠通過對比得到兩者的光學(xué)常數(shù)差別來進行 疾病的鑒別和診斷；或者直接將病變組織的光學(xué)常數(shù)與大量的其他人體的健康 組織樣本進行對比，作出疾病的鑒別和診斷。需要特別說明的是在進行疾病 的鑒別和診斷時，需要參考多個不同波長處的光學(xué)常數(shù)。
本發(fā)明已經(jīng)試制了實驗裝置，并進行了實施試驗。試驗檢測時，先對裝置 進行預(yù)熱，再將移動臺的各個方向都歸零，入射光纖探頭、線陣CCD都歸零； 光柵光譜儀的波長進行信號零點校準。然后根據(jù)被測人體的具體條件選擇相關(guān) 測試參數(shù)x、 y方向掃描范圍0 30cm、掃描步距25fim、 z方向調(diào)整高度lmm、 掃描一幅圖像的時間《20分鐘、入射光纖與線陣CCD的間距4^=1.3士0.3mm后， 使得該裝置進入自動檢測狀態(tài)，檢測過程中可執(zhí)行"中斷，，操作，隨時停止采 樣。檢測結(jié)果表明，試驗是成功的，獲得了皮膚表面的吸收系數(shù)圖像和約化散 射系數(shù)圖像，再將該測試圖像與從計算機數(shù)據(jù)庫中調(diào)出健康組織的吸收系數(shù)圖 像和約化散射系數(shù)圖像進行對比，就能夠?qū)M織病變程度作出定量診斷，實現(xiàn) 了發(fā)明目的。
權(quán)利要求
1、一種對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像的裝置，包括鎢鹵素?zé)艏捌涔饫w耦合輸出的入射光纖探頭，接收漫反射光的線陣CCD和通過光纖順序連接的光柵光譜儀、放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和計算機；其特征在于該裝置還設(shè)有一個由所述計算機控制的三維移動工作臺，該工作臺上設(shè)有可作三向移動的夾持桿，用于分別定位夾緊所述入射光纖探頭和所述線陣CCD，以使該兩個部件能作為一個整體、并保持設(shè)定距離和沿著設(shè)定的x、y、z三維方向進行同步整體移動，實現(xiàn)對皮膚組織表面進行x-y平面的二維掃描，探測漫反射信號，以及在z方向的自由移動，以調(diào)整它們到皮膚組織表面的距離，檢測得到包括吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的光學(xué)常數(shù)，再用光柵光譜儀分光，利用得到的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)分別進行光學(xué)成像，以便對病變皮膚組織和健康組織的光學(xué)常數(shù)進行對比，作出疾病的鑒別和診斷。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的進行無損光學(xué)常數(shù)成像的裝置，其特征在于所 述鴒卣素?zé)舭l(fā)出白色光，用于測量近紅外波段時所對應(yīng)不同波長的吸收系數(shù)和 約化散射系數(shù)，其輸出功率為0~ 100W，且連續(xù)可調(diào)；所述入射光纖探頭的光 入射角為30°~60。，其與被檢皮膚組織表面的距離為0.7-1.3mm;所述線陣 CCD的有效長度》28mm,其每一個i象素單元面積不大于14fimxl4iim,總像素 單元不小于2048,光語范圍為400nm-卯0nm,并且CCD的光敏面平行于被 檢組織表面；該線陣CCD與入射光纖探頭固連成為一體，要求探測平面與入射 平面相互平行，且兩者之間偏移距離Ay為1.3土0.3mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的進行無損光學(xué)常數(shù)成像的裝置，其特征在于所 述被檢組織是人體皮膚組織、人體或動物的其它軟組織、或生物切片。
4、 一種使用權(quán)利要求1所述的裝置對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù) 成像的方法，其特征在于采用線陣CCD探測斜入射漫反射光的光學(xué)測量裝置 對人體皮膚組織進行4笨測，用特征參量限定的Monte Carlo統(tǒng)計方法逆向求解禾皮 探測的皮膚組織表面在每個二維空間坐標上的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值，再用光柵光語儀分光，利用得到的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值分別進 行單波長成像，并同時對被檢測人體的病變組織及其周邊的健康組織進行檢測， 還對得到的兩者光學(xué)常數(shù)的差別進行對比，或?qū)⒉∽兘M織的光學(xué)常數(shù)與健康人 體的組織樣本進行比較，以便進行疾病的診斷和鑒別。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的進行無損光學(xué)常數(shù)成像的方法，其特征在于所 述方法包括下列操作步驟(1 )采用線陣CCD探測光斜入射組織表面后的漫反射光，得到一維數(shù)組； (2 )用該一維數(shù)組求解得到偏移入射點設(shè)定距離處的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)；(3) 設(shè)置掃描范圍，求解組織表面的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)；(4) 利用吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)進行光學(xué)成像； (5 )鑒別和診斷組織的病變程度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的進行無損光學(xué)常數(shù)成像的方法，其特征在于所 述步驟(1 )進一步包括下列操作內(nèi)容(11 )用計算機控制三維移動工作臺的移動和線陣CCD的采樣同步進行 在三維移動工作臺的帶動下，每當線陣CCD和入射光纖探頭兩者移動到一個新 位置，線陣CCD就接收到由組織表層產(chǎn)生的漫反射寬光譜一維信號；(12 )將線陣CCD的采樣信號轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組存儲在計算機中所述采樣 得到的漫反射寬光譜一維信號經(jīng)由光柵光譜儀分光后，成為某一設(shè)定波長信號， 再經(jīng)由放大濾波電路和A/D變換電路分別進行信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 后，以一維數(shù)組形式存儲在計算機中；該一維信號的空間坐標線度為線陣CCD 的有效長度，若線陣CCD的每個像素單元面積不大于14]umxl4nm,則共能夠 采集到至少2048個點，且該2048個數(shù)據(jù)以一維數(shù)組形式存儲在計算機中。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的進行無損光學(xué)常數(shù)成像的方法，其特征在于所 述步驟(2)進一步包括下列操作內(nèi)容(21 )采用偏移測量法，即線陣CCD與入射光纖探頭相距一定距離，故得 到的一維數(shù)組是距離入射點相應(yīng)距離處的漫反射光強度數(shù)值；(22 )用特征參量限定的Monte Carlo統(tǒng)計方法逆向求解皮膚組織的吸收系 數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值將實際測量得到的組織表面某個位置的漫射光強度 的一維數(shù)據(jù)，用Monte Carlo統(tǒng)計方法進行擬合后，得到一條擬合曲線漫反射 強度曲線，該曲線存在的一個峰值，是該曲線的中心，該中心兩側(cè)的曲線形狀 不對稱；將實際測量得到的兩個物理量線陣CCD探測到的漫反射強度曲線的 中心與光束入射點的偏移量Ax和曲線不對稱度y，分別作為表征皮膚組織特征 的兩個參量，在對入射點進行吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的擬合時，用于限制可 能的數(shù)值范圍，以便能在顯著減少計算量的前提下，保證計算結(jié)果的精確，并 具有實際意義；所述偏移量Ax與曲線不對稱度y都為實際測量數(shù)值，它們與吸 收系數(shù)和約化散射系數(shù)有直接的關(guān)系。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的進行無損光學(xué)常數(shù)成像的方法，其特征在于所 述步驟(3)進一步包括下列操作內(nèi)容(31 )預(yù)設(shè)對皮膚組織的掃描范圍，并將預(yù)設(shè)的皮膚組織表面劃分成多個 格點，以便使用線陣CCD掃描采樣時，按照格點采集數(shù)據(jù)，即將每個格點作為 光源入射點；(32)線陣CCD掃描到每個格點處，都按照步驟(2)的操作方法求解該 格點處的一對吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)的數(shù)值；這樣，當整個預(yù)設(shè)范圍的掃描 完成后，計算機內(nèi)就存儲了該掃描的空間位置所對應(yīng)的光學(xué)常數(shù)二維矩陣數(shù)據(jù) 空間坐標與吸收系數(shù)的矩陣、空間坐標與約化散射系數(shù)的矩陣。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的進行無損光學(xué)常數(shù)成像的方法，其特征在于所 述步驟(4)進一步包括下列操作內(nèi)容將所迷光學(xué)常數(shù)二維矩陣的數(shù)據(jù)分別換 算成256個灰度級，并轉(zhuǎn)換成彩色或黑白數(shù)字圖像，則該兩個矩陣分別對應(yīng)吸 收系數(shù)圖像和約化散射系數(shù)圖像；然后，根據(jù)病變組織的光學(xué)常數(shù)，對吸收系 數(shù)圖像和約化散射系數(shù)圖像分別設(shè)定各自的閾值，并依據(jù)闞值將圖像中的病變 組織的邊界提取出來，同時進行數(shù)字濾波、去噪的信號處理，得到清晰的圖像。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的進行無損光學(xué)常數(shù)成像的方法，其特征在于 所述步驟(5 )進一步包括下列操作內(nèi)容同時對被檢測人體的病變組織及其周邊的健康組織進行檢測，以便能夠通過對比得到兩者的光學(xué)常數(shù)差別來進行疾病的鑒別和診斷；或者將病變組織的光學(xué)常數(shù)與大量的其他人體的健康組織樣 本進行對比，作出疾病的鑒別和診斷。
11、根據(jù)權(quán)利要求IO所述的進行無損光學(xué)常數(shù)成像的方法，其特征在于 在進行疾病的鑒別和診斷時，需要參考多個不同波長處的光學(xué)常數(shù)。
全文摘要
一種對人體皮膚病變組織進行無損光學(xué)常數(shù)成像的裝置和方法，該裝置包括鎢鹵素?zé)?、入射光纖探頭，接收漫反射光的線陣CCD和通過光纖順序連接的光柵光譜儀、放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、計算機及其控制的三維移動工作臺。本發(fā)明用線陣CCD探測斜入射漫反射光的光學(xué)測量裝置對人體皮膚組織進行探測，用特征參量限定的Monte Carlo統(tǒng)計方法逆向求解被探測的皮膚組織表面在每個二維空間坐標上的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)數(shù)值，再用光柵光譜儀分光，利用該吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)分別成像，并同時對被檢測人體的病變組織及其周邊健康組織進行檢測，再對兩者光學(xué)常數(shù)的差別進行對比，或?qū)⒉∽兘M織的光學(xué)常數(shù)與健康人體組織樣本進行比較，從而進行疾病的診斷和鑒別。
文檔編號G01N21/31GK101313847SQ200810116008
公開日2008年12月3日 申請日期2008年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月1日
發(fā)明者萍 孫 申請人:北京師范大學(xué)