双波长光耦合功能成像乳腺诊断系统

徐瑞雯 荣 猛 李凯扬

(武汉大学物理科学与技术学院，武汉 430072)

引言

乳腺疾病是女性的一种常见疾病。据世界卫生组织(WHO)统计，2012年约50万妇女死于乳腺癌(占女性癌症死亡病例的15%)。早发现、早治疗是乳腺癌防治的关键，更准确、经济、无害的乳腺癌症检测技术是目前学术研究、医疗器械研制的热点及难点。通过科研人员的不断努力，如今新兴的光子学和现代医学相结合，形成了一个新的交叉学科生长点——生物医学光子学(biomedical optics)[1]。

本研究基于一种特征脉冲波的生物医学光子功能成像新技术，使用功率谱和互相关功能图分析方法，研发了近红外双波长光耦合功能成像乳腺诊断系统，实现了乳腺组织病变情况的早期诊断。与目前常见的研究方法相比，已有的技术是通过光谱分析法，利用修正的朗伯-比尔定律计算出人体中的血红蛋白浓度，再根据南京医科大学等机构给出的乳腺良恶性血红蛋白浓度分级表[2-3]，判别乳腺病变的良恶性。这种方法存在两方面的不足：一是参考状态下的血红蛋白浓度值的选择存在个体差异性；二是分级表给出的血红蛋白浓度值只是一个最大值，其对应的良恶性也只是疑似结果。

本研究旨在探索一种新的诊断方法，从另一个角度来进行乳腺疾病良恶性的判断，以提高乳腺疾病诊断结果的敏感性和特异性。

1 系统设计

光作为一种电磁波，能在人体组织中进行散射、透射等，可以借助光的传输变化来辅助癌症诊断。在红外和近红外光谱区，选择两个波长的近红外光作为探测光源，并通过研究两特征波长透射光的功率谱图像、互相关曲线、互相关系数和互相关功能伪彩图等多种技术来辅助乳腺癌症的诊断。

1.1 方案论证

入射到乳腺组织的光子，会经历多种过程：反射、吸收、散射和透射等。这些行为与生物组织特性有关，最终导致光在生物组织中的传输过程充满随机性[4-5]。通常用传输理论来描述光子在组织中的传输行为[6]，图1为光子在乳腺组织中的传播。

图1 光子在乳腺组织中的传播Fig.1 Photon in the spread of breast tissue

在传输理论中，光子的传输行为可用组织光学特性参数来描述，主要采用吸收系数、散射系数、各向异性因子等来描述[7]。本研究根据生物组织的特征，设定均匀组织和肿瘤体的各项光学参数，并在系统中用功率谱分析和互相关性分析来描述。

1.1.1功率谱分析

功率谱是对输入信号做傅里叶变换，取其模值的平方作为该频率的强度。设信号序列为x(n)(n=0,1,2,…,N-1),则该方法可表示为

(1)

通过快速傅里叶变换，将采集到的出射光信号数据按时间域的形式变换为频率域的形式，然后显示在屏幕上面，对显示在屏幕上的波形进行分析。

1.1.2相关性分析

在系统中，采用互相关性来描述不同波长的光经过人体组织后的相关程度，提供重要的诊断信息。设两个信号序列分别分x(n)和y(n)，长度都为N，即n=0,1,…,N-1，则这两个信号的有偏估计和无偏估计可分别表示为

(2)

(3)

1.2 方案设计与实现

光穿透人体组织，会带有人体组织的内部信息，包括结构信息和功能特性等，并且脉冲光相比连续光，通过生物组织时可以获取更多有效的信息，因此可以使用交替发光的近红外LED作为该设备的脉冲光源照射人体乳腺组织。根据近红外光的组织吸收特性不同，含氧血红蛋白和去氧血红蛋白在760和850 nm两个波长上具有特征吸收峰，选取这两个波长光就能够很好地反映血氧代谢的情况。系统以这两个波长的近红外线脉冲光穿透乳腺组织，利用高性能CCD摄像头接收透射光，对两种波长的光信号进行功率谱和互相关性分析，对比健康乳腺和病变乳腺功率谱和互相关曲线的差异，即可得到准确的诊断结果。

1.2.1系统结构

成像系统是由光源、光源控制及同步电路、近红外CCD相机、图像采集卡和计算机5个部分组成，系统的结构如图2所示。外围电路控制两组LED分时发光，CCD相机将拍摄到的光信号转化为电信号，图形采集卡将信号模数转换并实时传输给电脑，在本课题组开发的软件中进行图形和信号的后处理。

图2 系统结构Fig.2 System structure diagram

1.2.2光源选择

本系统采用双波长光源。考虑乳腺组织的大小，光源的大小不宜过大。结合可操作性与安全性等因素，本研究采用发光二极管LED作为光源。为了使光强分布均匀，系统采用多LED交叉排列X形的方式镶嵌在金属板上，如图3所示。

图3 LED光源结构Fig.3 LED light source structure

相比连续光源，组织对脉冲光源更加敏感，所以在设备中采用760/850 nm近红外双波长脉冲光作为光源，并用如图4方式的驱动。从连续的图像中看到血管和组织的变化，从而获得更多的信息。在近红外成像中，使用脉冲光源是生物学研究和肿瘤临床诊断中有效的方法[8]，光源LED采用恒流源驱动电路驱动，输出温度稳定性好的电流信号，如图4所示。

图4 LED驱动电路Fig.4 Drive circuit diagram

1.2.3其他器件选择

成像系统选用的CCD相机为敏通MTV-1881EX，采集卡为天敏SDK3000。

1.2.4软件设计

软件开发平台选用VS2008系统，包括视频的帧处理及图片的同步模块、序列图片的去噪及配准模块、功率谱及互相关计算模块等部分。

2 系统测试与误差分析

首先对系统的操作流程进行介绍，再对已经采集到的临床数据进行功率谱和互相关性分析并进行讨论。

2.1 系统流程

为了避免可见光的干扰，诊断过程在暗室中进行，具体流程如图5所示。

图5 系统流程Fig.5 System flow chart

2.2 系统测试

系统在武汉大学人民医院已经进行了574例病例数据的采集，良性病变与乳腺癌患者均经过B超、钼靶、活检验证，得出了一定的规律，现选取部分个例，分类进行讨论。

2.2.1正常组织

本研究对所有病例的乳腺组织部位进行了分析。图6为经过分析得到正常乳腺组织在两个波长处的功率谱曲线，760和850 nm波长的功率谱曲线基本一致，曲线较平稳。

图6 正常乳腺组织的功率谱曲线。(a)正常乳腺组织在760 nm处的功率谱曲线；(b)正常乳腺组织在850 nm处的功率谱曲线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

图7为经过分析得到良性病变乳腺组织在两个波长处的功率谱曲线。

图7 良性病变乳腺组织的功率谱曲线。(a)良性病变乳腺组织在760 nm处的功率谱曲线；(b)良性病变乳腺组织在850 nm处的功率谱曲线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

图8为经过分析得到恶性病变乳腺组织在两个波长处的功率谱曲线。从中可以观察到曲线有很多无规律的次频峰，不再平滑。

图8 恶性病变乳腺组织的功率谱曲线。(a)恶性病变乳腺组织在760 nm处的功率谱曲线；(b)恶性病变乳腺组织在850 nm处的功率谱曲线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

图9所示为不同乳腺组织的互相关曲线。

根据实验样本互相关系数的计算结果，通过大量临床统计的方法，得出3种病变情况下的医学统计学规律，如表1所示。可见，正常组织的互相关系数在一个很高的范围内，基本在0.9左右；良性病变组织的互相关系数普遍低于0.8；恶性病变组织的互相关系数基本在0.5以下，趋向于0。

表1正常、良性病变、恶性病变组织的互相关系数的统计分布

Tab.1Statisticaldistributionofcross-correlationcoefficientbetweennormal,benignandmalignantlesions

组织类别 病例/个互相关系数正常组织360.893～0.997良性病变组织3630.537～0.783恶性病变组织1480.022～0.445

图9 不同乳腺组织的互相关曲线。(a) 正常乳腺组织的双波长光强信号的相关性；(b)良性病变乳腺组织的双波长光强信号的相关性；(b) 恶性病变乳腺组织的双波长光强信号的相关性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 结论

透射光信号在不同频率范围下的强度值突变越明显，则表示病变程度越严重；强度值突变越弱，则表示病变程度越轻。

本研究分别对正常乳腺组织、良性病变乳腺组织、恶性病变乳腺组织进行功率谱和互相关性分析，比较三者之间的异同，得出以下结论：

1)正常乳腺组织的功率谱曲线的单一性较好，良性病变乳腺组织的功率谱曲线波动较大，恶性病变病变组织的情况最严重。

2)正常乳腺组织的互相关曲线规律性强，互相关系数比较接近1；良性病变乳腺组织的互相关曲线变得无规律，互相关系数与1相差较大，相关性变差；恶性病变乳腺组织的情况更加严重。