CN105866035B - 一种基于空间频域调制大面积解析微观结构的快速无损组织活检方法与技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于空间频域调制大面积解析微观结构的快速无损组织活检方法与技术，其包括以下步骤：一、控制光源输出多个不同频率的空间调制光条纹图案到组织样品；二、通过CCD多次采集经组织样品散射后的反射光强；三、对采集到的反射光强数据进行分析与处理；四、采用标准三相移法或SSMD解调法等解调出不同频率的交流、直流分量和调制传递函数；五、获得散射结构系数SSI，通过高空间频率的SFDI调制不仅可以获得吸收系数和散射系数，而且可以获得散射光的相位函数和散射结构系数(SSI)。高空间频率SFDI在大面积组织学诊断上具有重要应用，它可以定量获取大面积的组织光学特性及散射特征的分布图，用于生物组织的客观诊断。

Description

一种基于空间频域调制大面积解析微观结构的快速无损组织 活检方法与技术

技术领域

本发明涉及一种基于空间频域调制大面积解析微观结构的快速无损组织活检方法与技术。

背景技术

通过组织的光散射可以用于诊断组织，并已大量应用于生物医学。在许多不同成像方式中，空间频域成像SFDI目前作为一种微观结构成像方式在广泛的领域引起了极大重视。SFDI可以大面积地用于量化浑浊介质的光子性能。尤其是高空间频域成像HSFDI可以提高成像的分辨率并定量地提取光散射的相位函数，HSFDI的问题是缺少一种能够在高空间频率分析上描述光反射系数的合适模型。另外，传统的 SFDI结构不能实现光学成像系统所要求的准确性和高分辨率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于空间频域调制大面积解析微观结构的快速无损组织活检方法与技术。

本发明提供：一种基于空间频域调制大面积解析微观结构的快速无损组织活检方法，其包括以下步骤：

控制光源输出多个不同频率的空间调制光条纹图案到组织样品；

通过CCD多次采集经组织样品散射后的反射光强；

对采集到的反射光强数据进行分析与处理；

采用标准三相移法或SSMD解调法解调出不同频率的交流、直流分量和调制传递函数；

通过获得散射结构系数SSI。

所述散射结构系数SSI通过以下步骤获得，首先根据

其中μ_b≡μ_t/p(π)以及 l_Θ≡Θ/μ_s，散射介质的随机相位函数p_SAA(θ)为获得该相位函数p_SAA(θ)及散射结构系数SSI。

一种基于上述快速无损组织活检方法的高空间频域成像技术，其包括光源发射装置、透镜、分束镜以及采集装置，所述光源发射装置发射的光经过透镜照射在分束镜上，并通过分束镜反射在组织样品上，组织样品的反向散射光经过图像本身成像于采集装置处。

所述光源发射装置为数字微镜设备。

所述采集装置为相机。

本发明通过高空间频率调制实现的HSFDI不仅可以获得吸收系数和散射系数，而且可以获得散射光的相位函数和散射结构系数(SSI)。 HSFDI在大面积组织学诊断中具有重要应用，它可以定量获取大面积组织的光学特性及散射特征分布图用于生物组织的客观诊断。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2是在SFDI调制频率低(f＝0.244mm-1)，中(f＝0.569mm^-1)，高(f＝1.365mm-1)频率下2％浓度的脂肪乳下计算所得的光学性质，底部显示了由低频(红色)，中频(绿色)和高频(蓝色)频率的切面图。

图3通过SFDI调制在低频(f＝0.682mm^-1中间列)和高频((f＝3.412 mm^-1右列)所获得的猪肉组织的光学特征图，SSI特征图也显示在图上。

图4为肾癌组织的μ_a，μ′_s(f＝0.682mm^-1)分布图和SSI(f＝1.706 to 3.412mm^-1)分布图，图中虚线框为癌化显著区域。

图5为胃癌组织的μ_a,μ′_s(f＝0.682mm^-1)分布图和SSI(f＝1.706 to 3.412mm^-1)分布图，图中虚线框为癌化显著区域。

图6为健康男性手掌的μ_a，μ′_s(f＝0.682mm^-1)分布图和SSI(f＝1.706 to 3.412mm^-1)分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

光在浑浊介质(如生物组织)中的散射是一个复杂的过程，光的传播可以用玻尔兹曼辐射传播方程(RTE)精确地描述，但目前其计算耗时而难以应用。另外RTE的扩散近似方程只适用于光源距离探测器的距离是传输步长的3/4倍以上时才有效，而在光源与探测器近距离时是无效的。然而，散射介质的相位函数包含了介质形态的基本信息，当光源与探测器的距离小于单个传输步长时非扩散光对反射率影响显著。因此，HSFDI最重要的一步是将非扩散光的反射率与相位函数的确切形式联系在一起。

而徐敏在申请日2015-10-15，申请号为2015106669451申请的发明一种大面积获取组织光学参数及微观结构的光反射成像技术，则提出的相位函数分析模型包含在光源与探测器近距离时非扩散反射光辐射传输的小角度散射近似，这个模型还表达了在近距离时散射介质的相位函数与反射光的关系。

在前向光散射介质中的后向散射光包含3种类型：第一种是经历了多次小角度散射和一次完全地大角度散射的SAA光子；第二种是经历了两次完全地大角度散射的“蛇”形光；第三种是经历了两次以上大角度散射的扩散光。对于任意光源-探测器距离和在整个空间频域中，根据它们各自的范围反射光公式可以分成低空间频率和高空间频率两部分：

其中q_c～2πμ_r是两范围的交点。低空间频率表达式中的μ_b/2μ_t是由 SAA光子中的未散射成分引起的，公式(1)可以准确描述具有低吸收到中等吸收(μ_a/μ′_s＜1)前向光散射介质的反射光。尤其，当ql_tr＞＞1 时表示SAA光子反射的主要表达式I_SAA(q)可以简化为：

其中后向散射系数μ_b≡μ_t/p(π)，传播距离l_Θ≡Θ/μ_s。散射介质的随机相位函数p_SAA(θ)可以如下表示：

其中

模拟体系真实的相位函数p(θ)，即p_b值由后向散射到后半球的光子数目决定，散射角的均方根Θ与组织和细胞中的大结构体相关，尤其是各项异性因子g：

g＝(1-2p_b)(1-Θ²/2) (6)

当μ_a/μ_s＜＜1,μ_t＝μ_a+μ_s≈μ_s和μ_b/μ_t＝p_b/4π时，公式(2)可以简化为：

因此，在可测量的频率范围内用各种高空间频率测量多重反射光 I_SAA(q)可以拟合出公式(7)得到p_b和l_Θ。

相位函数的一个新特性定义为散射结构系数(Scattering Structural Index，SSI)，该系数可以用来评估浑浊介质的形态学特征。由于在大多数生物组织中Θ＞＞p_b，所以将SSI定义为：

而本发明则提供了一种基于空间频域调制大面积解析微观结构的快速无损组织活检方法，其包括以下步骤：

控制光源输出多个不同频率的空间调制光条纹图案到组织样品；

通过CCD多次采集经组织样品散射后的反射光强；

对采集到的反射光强数据进行分析与处理；

采用标准三相移法或SSMD解调法调出不同频率的交流、直流分量和调制传递函数；

通过获得散射结构系数SSI。

空间频域成像(SFDI)是一种大范围，非接触的方法，其使用空间调制构成光图案以一维形式，不同的频率投影到组织上：

其中的S₀,M₀,f_x和α分别为光源密度，调制深度，空间频率和空间相位，反射形式的强度如下式：

I_OUT＝I_DC+M_AC(x)cos(2πf_xx+α) (10)

浑浊介质中的反射光子密度波M_AC(x)的调制转移依赖于组织的光学特性，并能通过光的传播方程进行模拟。为了能解析出M_AC(x)需要利用单次解调方法，通常采用的方法是三相位解调法而另外一种的单频快照解调技术(SSMD)已经在实时成像平台上实现了。

为了获得非扩散光子对光反射的敏感性，当扩散模型是无效时， M_AC(x)可通过多个高空间频率(f_x＞μ′_s/3)的测量获得。随后，我们利用 SAA分析模型去定量的估计散射结构值(SSI)的分布图。不同于使用低频成像的传统SFDI方案，HSFDI方案需要更高精度、更高分辨率的同步调制照明系统和光学成像系统。

而本发明还公开了一种基于上述快速无损组织活检方法的高空间频域成像技术，其包括光源发射装置、透镜lens、分束镜beam splitter 以及采集装置，所述光源发射装置发射的光经过透镜照射在分束镜上，并通过分束镜反射在组织样品上，组织样品的反向散射光经过图像本身成像于采集装置处。出于对像差优化的考虑，为制照明系统的中心光学设备使用了薄膜分束器，来消除鬼影，DMD的图案被放大后投影到样本上，样本的反向散射光经过图像本身成像于相机上。

所述光源发射装置为数字微镜设备，其型号为数字微镜设备LightCrafter^TM 4500，Texas Instruments)。采用红色通道(623nm)，DMD 设置为图案模式(pattern mode)，每幅画的跳变时间为10000μs，

所述采集装置为相机，其型号为Canon 5D Mark III相机，用于收集反射图像，曝光时间为1/10S。

DMD输出的光强并不是线性的，通过漫反射利用朗伯反射标准来纠正这种非线性。照在样本表面的是13mmx13mm照射范围，HSFDI 系统的解析度为7.7μmx7.7μm，最大的调制空间频率为3.412mm^-1。

通过均匀体模实验。我们发现边界效应会影响HSFDI的表现，实际上是切去边界后的空间调制图案，其长度是固定的。我们得出由于边界效应使图像质量退化，这将导致计算介质的调制传递函数不准确，从理论上说，当图像中的调制模式中的周期数减少时，伪影会随着时间的增加而增加。因此，尤其我们SFDI设备在不特别大的13mm*13mm 的范围内时，减少伪影的方式是最大限度的使用高空间频率的调制光图案，减少工件。

分别照射不同频率(0.244,0.569和1.365mm-1)的调制正弦图案于2％的脂肪乳悬乳液(10％的脂肪乳通过1:4进行稀释)上，如图2 所示。基于扩散传播方程计算的μ_a和μ′_s的平均值在表1所示。当排除边界效应对HSFDI的影响下，计算所得的μ_a和μ′_s值与理论值随着频率的增加而越来越接近，图2中入射光的波长为0.623μm，像素格点为 7.7μm×7.7μm。

表1，为2％浓度的脂肪乳悬乳液在不同频率下计算所得的μ_a和μ′_s。

基于扩散光的传播方法的工作条件下，对在低，高调制频率对10mm*10mm的猪肉组织进行SFDI成像实验观察。得到如图3所描述的μ_a和μ′_s光学分布图。在中间一列显示的结果为低频(f＝0.682mm^-1)，在右边一列现实的结果为高频(f＝3.412mm^-1)。可以发现，在高调制频率的空间频域成像中利用基于扩散近似传输理论的查表法重建出的光学参数出现溢出现象，这跟我们所预期的一样，即在探测器与光源点近距离时RTE的扩散近似传输理论将失效。

然后，我们通过拟合的反射光的小角度散射近似(SAA)模型(看公式7)，从三个高空间频率提取猪肉组织散射结构指数(SSI)分布图。此结果如图3所示。从HSFDI得到的非-漫散射反射光携带着相位函数的关键特征，与约化散射系数相比，SSI具有更好的结构对比度 (μ′_s)。通过SFDI技术可以发现新鲜的肾癌和胃癌组织，其结果分别对应图4和图5。图中虚线框区域为医生诊断出的癌变范围。我们可以看到SSI可以对诊断区域关联的结构变换的定量表征。高的SSI值通常表示生物组织的制粒的细胞核，可被用于癌化的前期诊断。

最后，我们论证了HSDFI方法确定超过10mm*10mm男性手掌的 SSI分布图。同时，浅表周围的组织的相位函数相关的SSI有更好的结构对比度并显示出清晰的掌纹。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于空间频域调制大面积解析微观结构的快速无损组织活检方法，其特征在于：其包括以下步骤：

一、控制光源输出多个不同频率的空间调制光条纹图案到组织样品；

二、通过CCD多次采集经组织样品散射后的反射光强；

三、对采集到的反射光强数据进行分析与处理；

四、采用标准三相移法或SSMD解调法解调出不同频率的交流、直流分量和调制传递函数；

五、通过获得散射结构系数SSI。

2.根据权利要求1所述的基于空间频域调制大面积解析微观结构的快速无损组织活检方法，其特征在于：所述散射结构系数SSI通过以下步骤获得，首先根据 其中以及散射介质的随机相位函数p_SAA(θ)为获得该相位函数p_SAA(θ)及散射结构系数SSI。