乳腺血氧功能成像技术原理及临床应用

周学武，王文慧，叶海莉

乳腺血氧功能成像技术原理及临床应用

周学武，王文慧，叶海莉

介绍了乳腺血氧功能成像系统的组成，分析了血氧功能成像技术和三算子成像技术的工作原理，分析了其检测方法，并对系统在实际临床中的应用作了进一步的思考，提出了合理化的建议，指出了乳腺疾病的确诊还需要结合其他检查手段，多种方法联合应用，使诊断更准确、科学。

血氧功能成像；乳腺；三算子成像技术

0 引言

乳腺癌已经成为威胁广大妇女身体健康的主要疾病。癌变的发生通常先由功能改变再发展成为器质性病变，进而出现组织与器官的结构性变化和临床症状[1]。乳腺组织血氧功能成像技术通过对乳腺血氧含量的测定，反映与乳腺生理、病理状态相关的组织与器官功能信息，从中获取乳腺原始图像中没有显示而又客观存在的信息，从而有利于乳腺癌的早期诊断。

1 仪器原理

我院2012年引进某公司生产的E-SN-2A乳腺血氧功能成像系统。该系统由近红外光源、红外摄像头、计算机系统等组成。它将乳腺血氧无创检测、乳腺组织血氧功能成像和计算机信息挖掘等3种技术相整合，对乳腺进行定性和定量的无创检测，获得乳腺组织血氧的二维分布状态和相对变化图像[2]，进而通过乳腺组织血氧的分布情况为医生提供诊断依据。该系统的技术功能包括乳腺血氧功能成像技术和三算子成像技术。

1.1 乳腺血氧功能成像技术

人体血液红细胞中的血红蛋白是机体输送氧气的载体。通过肺循环脱氧血红蛋白（deoxygenated hemoglobin，Hb）与肺泡中的氧气结合成为含氧血红蛋白（HbO2）。再经过体外循环，血红蛋白到达全身的各组织器官，其携带的氧被组织新陈代谢利用，含氧血红蛋白还原为脱氧血红蛋白。乳腺血氧功能成像技术是根据乳腺组织中的脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白在近红外光谱区域具有不同的吸收系数来检测血氧含量并重构成像的一种医学功能成像技术，其基本原理就是利用生物组织的近红外特征光谱分析[3]。

在760和850 nm或相近光强时，脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白具有相反的吸收光谱特性（如图1所示）。当近红外光源透照乳腺后，图像采集器采集双波长（760和850 nm）的透照图像，计算机的处理和分析系统对入射光和出射光的强度进行对比分析自动得出组织中的血含量、氧代谢值。近些年的研究表明[4-6]，肿瘤细胞的生长和转移需要新血管的生长为其提供充足的氧及营养物质，随着肿瘤细胞变大，则需要的新生长的血管就越多，血含量就会越大。由于肿瘤细胞比正常细胞的代谢旺盛，耗氧量自然就会增加。该系统的最大优势就是以实际数字显示病灶区域中血氧含量的相对数值。通常乳腺癌病变区域血含量高而氧含量低。因此，高血低氧成为乳腺癌的诊断标准。

图1 Hb与HbO2吸收光谱特性图

1.2 三算子成像技术

因为红外光在穿透乳腺组织时是散射穿行的，故而携带了大量的组织信息。但不同组织对光吸收信息的差别非常小，几乎超出了人的视力分辨范围，所以很多有用信息肉眼根本无法看到。三算子成像技术运用计算机信息挖掘技术和图像分析技术提取乳腺图像中3种病灶的特征信息，可以获得更多隐含信息，能够有效避免假阳性和假阴性诊断结果的发生[6]。

1.2.1 结构分析算子

对组织结构的准确分析和判断是分析组织状态和内部结构的基础，医学上将利用其对图像进行处理。其主要原理是：依据光在均匀介质中的传输是有规律的，而在不均匀的介质中传输则是无规律的这一特性，有效地提取乳腺中的组织结构信息[7]。乳腺中的组织结构情况可以通过等灰度曲线直观地反映出来：正常乳腺会形成规则的同心圆曲线，而当乳腺有病变（如恶性肿瘤、组织坏死、钙化等）存在时，则表现出无规律的等灰度曲线分布。乳腺癌的结构分析图如图2所示。

1.2.2 血管显化算子

显化是比较常见的一种对图像进行处理的方法。显化处理的内容包括图像的连贯性和细节性处理等，使局部不易观察和显现的图像区域更加易于观察和便于下一步的处理。将此种图像处理的方法利用在医学上对病变进行细微检测，可以提高诊断的准确率。

由于乳腺病变都伴随着新生血管的产生，如果用肉眼直接观察透照图像，一些细节病变往往很容易被漏掉。而血管显化算子就是利用特定的公式和程序算法，再次对图像进行处理，将病变区域内的微小血管以及新生血管更清晰地显现出来，便于更好、更快捷地查看病灶信息。乳腺病灶区的血管显化图如图3所示。

1.2.3 边缘检测算子

边缘是指数字图像中局部变化最突出的部分，是图像局部特征不连续性的表现。边缘提取检测技术可以把边缘包含着的图像的重要信息提取出来。恶性肿瘤组织在光学透视图像中对应的灰影边缘一般是模糊不清的，通过边缘检测算子就能够强化肿块灰影的边缘清晰度[8]，把病变区域的边缘毛躁细节特征显示出来。图4所示为一乳腺癌患者的乳腺边缘检测后的效果图，可以清晰看到病变区域以及病变大小。

图3 乳腺病灶区的血管显化

图4 乳腺边缘检测效果图

图2 乳腺癌的结构分析

2 检测方法

被检者取坐位，身体向前倾，双手自然下垂，充分暴露双乳，胸部对准摄像头，乳房至镜头距离60～70 cm为好。将光源头置于乳腺下后方，使光线透过乳腺腺体。启动图像采集器采集此时的乳腺图像，对选中的图像进行等灰度线、边缘显示、血管显化等三算子处理。如果处理结果正常，则无需进行血氧检测。如果发现可疑区域，则需进一步启动血氧处理功能，运算并得到相应的血氧图像。由医师阅图并标定诊断兴趣区域，系统会实时给出标记区域内组织的血氧值，标定完成后提交诊断，即可得出最终的分析结果。

3 临床应用

随着人们生活水平的提高，乳腺癌的发病率也急剧上升，成为女性死亡率上升最快的癌症之一。提高乳腺癌患者的生存率和降低死亡率的决定因素并非完全在于治疗手段的改善，最关键的还是如何早期发现乳腺癌[9]。乳腺血氧功能成像技术与传统的钼靶X线机、B超、红外线乳腺扫描仪相比[10]，融合了解剖学信息和功能学信息，不仅形成形态学图像，还形成功能学图像；能对局部组织进行定性与定量的无损、反复检测，没有年龄和检测次数的限制，可避免乳腺X线检测对人体带来的危害[11]。乳腺组织血氧功能成像系统所具有的乳腺组织的功能成像、乳腺血氧无创检测、乳腺组织结构分析、血管显化、边缘检测等功能能够有效地提高诊断的准确率，适于乳腺普查和各种乳腺疾病、癌前病变及乳腺癌的临床诊断。2012年3月，该系统在我院投入使用，至今，共接收普通查体5 912例，其中，增生为1 802例，经病理检验或钼靶证实良性肿瘤26例，恶性肿瘤2例。乳腺癌患者的血氧功能成像及三算子成像如图5所示。

图5 乳腺癌血氧功能成像和三算子成像

4 结语

乳腺癌影像学检查公认的金标准目前仍然是钼靶X线机，但由于钼靶检查会使患者产生非常不适的压迫感，对人体具有放射损伤，而且对小乳房及致密乳房进行检查比较困难[12]，所以不适宜大批量普查。乳腺血氧功能成像系统针对乳腺癌病理学特征设计而成，检查方便，无辐射、无损伤、无挤压，检测结果可信度高，适合大规模的乳腺普检、疑难病症检查及不明肿瘤性质的排查。但该系统对于底部肿瘤的检查效果一般[13]，部分如乳晕区、乳房边缘以及小而深的病灶，图像采集受到一定限制。而且红外光源对区域敏感[14]，需要医师根据工作经验判断兴趣区域等。因此，乳腺疾病的确诊还需要结合其他检查手段，联合应用多种方法，使诊断更准确、科学。

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（收稿：2103-05-27 修回：2013-10-31）

（栏目责任编校：李 影 傅 雳）

Principle and clinical application of breast blood-oxygen functional imaging

ZHOU Xue-wu,WANGWen-hui,YEHai-li
(Lintong Sanitorium of Lanzhou Military Area Command,Xi′an 710600,China)

The composition of the breast blood oxygen function imaging system is introduced.The working principles and detection methods of blood oxygen function imaging technology and three-operators imaging technology are analyzed.It's pointed out that the diagnoses of the breast diseases depend on blood oxygen function imaging combined with other measures.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：137-139]

blood oxygen functional imaging;breast;three-operators imaging technology

R318；R445

A

1003-8868（2014）08-0137-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.08.137

周学武（1974—），男，副主任技师，主要从事医疗设备管理和计量检定方面的研究工作，E-mail：xw-zhou@163.com。

710600西安，兰州军区临潼疗养院（周学武，王文慧，叶海莉）