雙波長光耦合功能成像乳腺診斷系統(tǒng)

徐瑞雯 榮 猛 李凱揚

(武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430072)

引言

乳腺疾病是女性的一種常見疾病。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計，2012年約50萬婦女死于乳腺癌(占女性癌癥死亡病例的15%)。早發(fā)現(xiàn)、早治療是乳腺癌防治的關(guān)鍵，更準(zhǔn)確、經(jīng)濟、無害的乳腺癌癥檢測技術(shù)是目前學(xué)術(shù)研究、醫(yī)療器械研制的熱點及難點。通過科研人員的不斷努力，如今新興的光子學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合，形成了一個新的交叉學(xué)科生長點——生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(biomedical optics)[1]。

本研究基于一種特征脈沖波的生物醫(yī)學(xué)光子功能成像新技術(shù)，使用功率譜和互相關(guān)功能圖分析方法，研發(fā)了近紅外雙波長光耦合功能成像乳腺診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了乳腺組織病變情況的早期診斷。與目前常見的研究方法相比，已有的技術(shù)是通過光譜分析法，利用修正的朗伯-比爾定律計算出人體中的血紅蛋白濃度，再根據(jù)南京醫(yī)科大學(xué)等機構(gòu)給出的乳腺良惡性血紅蛋白濃度分級表[2-3]，判別乳腺病變的良惡性。這種方法存在兩方面的不足：一是參考狀態(tài)下的血紅蛋白濃度值的選擇存在個體差異性；二是分級表給出的血紅蛋白濃度值只是一個最大值，其對應(yīng)的良惡性也只是疑似結(jié)果。

本研究旨在探索一種新的診斷方法，從另一個角度來進行乳腺疾病良惡性的判斷，以提高乳腺疾病診斷結(jié)果的敏感性和特異性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

光作為一種電磁波，能在人體組織中進行散射、透射等，可以借助光的傳輸變化來輔助癌癥診斷。在紅外和近紅外光譜區(qū)，選擇兩個波長的近紅外光作為探測光源，并通過研究兩特征波長透射光的功率譜圖像、互相關(guān)曲線、互相關(guān)系數(shù)和互相關(guān)功能偽彩圖等多種技術(shù)來輔助乳腺癌癥的診斷。

1.1 方案論證

入射到乳腺組織的光子，會經(jīng)歷多種過程：反射、吸收、散射和透射等。這些行為與生物組織特性有關(guān)，最終導(dǎo)致光在生物組織中的傳輸過程充滿隨機性[4-5]。通常用傳輸理論來描述光子在組織中的傳輸行為[6]，圖1為光子在乳腺組織中的傳播。

圖1 光子在乳腺組織中的傳播Fig.1 Photon in the spread of breast tissue

在傳輸理論中，光子的傳輸行為可用組織光學(xué)特性參數(shù)來描述，主要采用吸收系數(shù)、散射系數(shù)、各向異性因子等來描述[7]。本研究根據(jù)生物組織的特征，設(shè)定均勻組織和腫瘤體的各項光學(xué)參數(shù)，并在系統(tǒng)中用功率譜分析和互相關(guān)性分析來描述。

1.1.1功率譜分析

功率譜是對輸入信號做傅里葉變換，取其模值的平方作為該頻率的強度。設(shè)信號序列為x(n)(n=0,1,2,…,N-1),則該方法可表示為

(1)

通過快速傅里葉變換，將采集到的出射光信號數(shù)據(jù)按時間域的形式變換為頻率域的形式，然后顯示在屏幕上面，對顯示在屏幕上的波形進行分析。

1.1.2相關(guān)性分析

在系統(tǒng)中，采用互相關(guān)性來描述不同波長的光經(jīng)過人體組織后的相關(guān)程度，提供重要的診斷信息。設(shè)兩個信號序列分別分x(n)和y(n)，長度都為N，即n=0,1,…,N-1，則這兩個信號的有偏估計和無偏估計可分別表示為

(2)

(3)

1.2 方案設(shè)計與實現(xiàn)

光穿透人體組織，會帶有人體組織的內(nèi)部信息，包括結(jié)構(gòu)信息和功能特性等，并且脈沖光相比連續(xù)光，通過生物組織時可以獲取更多有效的信息，因此可以使用交替發(fā)光的近紅外LED作為該設(shè)備的脈沖光源照射人體乳腺組織。根據(jù)近紅外光的組織吸收特性不同，含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白在760和850 nm兩個波長上具有特征吸收峰，選取這兩個波長光就能夠很好地反映血氧代謝的情況。系統(tǒng)以這兩個波長的近紅外線脈沖光穿透乳腺組織，利用高性能CCD攝像頭接收透射光，對兩種波長的光信號進行功率譜和互相關(guān)性分析，對比健康乳腺和病變?nèi)橄俟β首V和互相關(guān)曲線的差異，即可得到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

1.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

成像系統(tǒng)是由光源、光源控制及同步電路、近紅外CCD相機、圖像采集卡和計算機5個部分組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。外圍電路控制兩組LED分時發(fā)光，CCD相機將拍攝到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，圖形采集卡將信號模數(shù)轉(zhuǎn)換并實時傳輸給電腦，在本課題組開發(fā)的軟件中進行圖形和信號的后處理。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure diagram

1.2.2光源選擇

本系統(tǒng)采用雙波長光源?？紤]乳腺組織的大小，光源的大小不宜過大。結(jié)合可操作性與安全性等因素，本研究采用發(fā)光二極管LED作為光源。為了使光強分布均勻，系統(tǒng)采用多LED交叉排列X形的方式鑲嵌在金屬板上，如圖3所示。

圖3 LED光源結(jié)構(gòu)Fig.3 LED light source structure

相比連續(xù)光源，組織對脈沖光源更加敏感，所以在設(shè)備中采用760/850 nm近紅外雙波長脈沖光作為光源，并用如圖4方式的驅(qū)動。從連續(xù)的圖像中看到血管和組織的變化，從而獲得更多的信息。在近紅外成像中，使用脈沖光源是生物學(xué)研究和腫瘤臨床診斷中有效的方法[8]，光源LED采用恒流源驅(qū)動電路驅(qū)動，輸出溫度穩(wěn)定性好的電流信號，如圖4所示。

圖4 LED驅(qū)動電路Fig.4 Drive circuit diagram

1.2.3其他器件選擇

成像系統(tǒng)選用的CCD相機為敏通MTV-1881EX，采集卡為天敏SDK3000。

1.2.4軟件設(shè)計

軟件開發(fā)平臺選用VS2008系統(tǒng)，包括視頻的幀處理及圖片的同步模塊、序列圖片的去噪及配準(zhǔn)模塊、功率譜及互相關(guān)計算模塊等部分。

2 系統(tǒng)測試與誤差分析

首先對系統(tǒng)的操作流程進行介紹，再對已經(jīng)采集到的臨床數(shù)據(jù)進行功率譜和互相關(guān)性分析并進行討論。

2.1 系統(tǒng)流程

為了避免可見光的干擾，診斷過程在暗室中進行，具體流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程Fig.5 System flow chart

2.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)在武漢大學(xué)人民醫(yī)院已經(jīng)進行了574例病例數(shù)據(jù)的采集，良性病變與乳腺癌患者均經(jīng)過B超、鉬靶、活檢驗證，得出了一定的規(guī)律，現(xiàn)選取部分個例，分類進行討論。

2.2.1正常組織

本研究對所有病例的乳腺組織部位進行了分析。圖6為經(jīng)過分析得到正常乳腺組織在兩個波長處的功率譜曲線，760和850 nm波長的功率譜曲線基本一致，曲線較平穩(wěn)。

圖6 正常乳腺組織的功率譜曲線。(a)正常乳腺組織在760 nm處的功率譜曲線；(b)正常乳腺組織在850 nm處的功率譜曲線Fig.6 Power spectrum of normal breast tissue. (a)Power spectrum of normal breast tissue at 760 nm； (b)Power spectrum of normal breast tissue at 850 nm

圖7為經(jīng)過分析得到良性病變?nèi)橄俳M織在兩個波長處的功率譜曲線。

圖7 良性病變?nèi)橄俳M織的功率譜曲線。(a)良性病變?nèi)橄俳M織在760 nm處的功率譜曲線；(b)良性病變?nèi)橄俳M織在850 nm處的功率譜曲線Fig.7 Power spectrum curve of benign breast lesions. (a) Power spectrum curve of benign lesion breast tissue at 760 nm; (b) Power spectrum curve of benign lesion breast tissue at 850 nm

圖8為經(jīng)過分析得到惡性病變?nèi)橄俳M織在兩個波長處的功率譜曲線。從中可以觀察到曲線有很多無規(guī)律的次頻峰，不再平滑。

圖8 惡性病變?nèi)橄俳M織的功率譜曲線。(a)惡性病變?nèi)橄俳M織在760 nm處的功率譜曲線；(b)惡性病變?nèi)橄俳M織在850 nm處的功率譜曲線Fig.8 Power spectral curve of malignant breast tissue. (a)Power spectral curve of malignant breast tissue at 760 nm; (b)Power spectral curve of malignant breast tissue at 850 nm

圖9所示為不同乳腺組織的互相關(guān)曲線。

根據(jù)實驗樣本互相關(guān)系數(shù)的計算結(jié)果，通過大量臨床統(tǒng)計的方法，得出3種病變情況下的醫(yī)學(xué)統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，如表1所示?？梢姡＝M織的互相關(guān)系數(shù)在一個很高的范圍內(nèi)，基本在0.9左右；良性病變組織的互相關(guān)系數(shù)普遍低于0.8；惡性病變組織的互相關(guān)系數(shù)基本在0.5以下，趨向于0。

表1正常、良性病變、惡性病變組織的互相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計分布

Tab.1Statisticaldistributionofcross-correlationcoefficientbetweennormal,benignandmalignantlesions

組織類別 病例/個互相關(guān)系數(shù)正常組織360.893～0.997良性病變組織3630.537～0.783惡性病變組織1480.022～0.445

圖9 不同乳腺組織的互相關(guān)曲線。(a) 正常乳腺組織的雙波長光強信號的相關(guān)性；(b)良性病變?nèi)橄俳M織的雙波長光強信號的相關(guān)性；(b) 惡性病變?nèi)橄俳M織的雙波長光強信號的相關(guān)性Fig.9 Cross-correlation curves of different breast tissues. (a) Correlation of dual-wavelength light intensity signals in normal breast tissue; (b) Correlation of dual-wavelength light intensity signals in benign lesions of breast tissue; (c) Correlation of dual-wavelength light intensity signals in malignant breast tissue

3 結(jié)論

透射光信號在不同頻率范圍下的強度值突變越明顯，則表示病變程度越嚴(yán)重；強度值突變越弱，則表示病變程度越輕。

本研究分別對正常乳腺組織、良性病變?nèi)橄俳M織、惡性病變?nèi)橄俳M織進行功率譜和互相關(guān)性分析，比較三者之間的異同，得出以下結(jié)論：

1)正常乳腺組織的功率譜曲線的單一性較好，良性病變?nèi)橄俳M織的功率譜曲線波動較大，惡性病變病變組織的情況最嚴(yán)重。

2)正常乳腺組織的互相關(guān)曲線規(guī)律性強，互相關(guān)系數(shù)比較接近1；良性病變?nèi)橄俳M織的互相關(guān)曲線變得無規(guī)律，互相關(guān)系數(shù)與1相差較大，相關(guān)性變差；惡性病變?nèi)橄俳M織的情況更加嚴(yán)重。