專利名稱：三維高清晰度乳腺成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，主要用于乳腺疾病的檢測，通過成像的方式，三維、高清晰顯示乳房的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖像的灰度、組織形狀，特別是根據(jù)乳房組織的特性光學(xué)參數(shù)半定量或定性判斷乳腺組織的病變位置和程度。
背景技術(shù)：
目前，用于乳腺疾病檢查的方法主要是各種成像法，如鉬靶X光成像、核磁共振成像、超聲成像、紅外成像。然而，這些傳統(tǒng)的成像技術(shù)都存在著一定的局限性。鉬靶X射線照相會對人體造成電離輻射，破壞細(xì)胞中的DNA，誘發(fā)細(xì)胞癌變。雖然，X光成像具有較高的分辨率，但是有損檢測的缺點(diǎn)限制了這一成像技術(shù)的普查應(yīng)用；核磁共振成像突出的優(yōu)點(diǎn)是無創(chuàng)、無電離輻射，并且可以對人體組織做出形勢與功能兩方面的診斷。但是，核磁共振的核心部件“高頻強(qiáng)磁場”造價高，給病人帶來昂貴的費(fèi)用，不適合用作普查手段；超聲成像的優(yōu)點(diǎn)是對人體無損、無創(chuàng)、無電離輻射，同時它又能提供人體斷面實(shí)時的動態(tài)圖像，因此成為目前乳腺檢查的主要成像技術(shù)。但是，由于超聲波的波長比光波大4個數(shù)量級，使得衍射擴(kuò)散成為超聲成像的致命弱點(diǎn)。超聲波在人體中傳播時將發(fā)生嚴(yán)重的衍射和散射，從而造成圖像的分辨率降低，超聲成像的分辨率只有幾個毫米，不能用于早期腫瘤的診斷。紅光透射成像儀是目前最廉價、最普遍的乳腺檢查儀器，幾乎遍及各個城市和縣鎮(zhèn)。但是，紅光透射成像儀生成的是整個乳腺組織的直接透射像，所有陰影重疊，分辨率低，病變組織的形狀模糊，難以判斷具體形狀和位置，導(dǎo)致臨床誤診率和漏診率較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高清晰度、高襯比度、高分辨率、三維顯示的乳腺普查儀器。
本發(fā)明的解決方案是采用被稱為醫(yī)學(xué)“治療窗口”的近紅外光(600～900nm)作為光源，用特殊的編碼孔徑對照射光進(jìn)行空間調(diào)制，被調(diào)制后的光束對人體乳腺組織進(jìn)行無損探測，透射光便攜帶了組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，然后利用數(shù)字解碼技術(shù)提取乳腺組織的信息，并以三維、高清晰度圖像的方式顯示出來。
本發(fā)明采用優(yōu)化帶板編碼的光學(xué)掃描全息術(shù)兩步成像方案。即用優(yōu)化帶板編碼的近紅外激光束實(shí)時照射乳房，采集信息，然后，通過數(shù)字解碼，實(shí)現(xiàn)三維、高清晰度圖像顯示。以下對兩步成像的具體方法進(jìn)行介紹。
第一步掃描全息圖的記錄過程，即對物體的編碼過程，得到的掃描全息圖稱為編碼像。
人體組織在波長為780nm處存在吸收極小值，因此，在這一波長處組織具有較強(qiáng)的前向散射特性，對于成像系統(tǒng)而言，具有對生物組織較大的穿透深度。如果同時將激光的輸出功率提高到人體所能承受的閾值，那么，成像系統(tǒng)的穿透深度將會更大。人體乳房在夾持的狀態(tài)下厚度大約為5cm，為了保證這一穿透深度，本發(fā)明將光源的波長定位在780nm，而使激光器輸出功率大于1W。由于光學(xué)系統(tǒng)存在一定程度的損耗，到達(dá)人體組織的激光功率通常小于100mW。由大功率半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的波長為780nm的近紅外激光束，經(jīng)光纖耦合輸出，照射液晶空間光調(diào)制器，讀出液晶空間光調(diào)制器上由計算機(jī)實(shí)時生成的優(yōu)化帶板掃描圖形。
目前，在光學(xué)掃描全息術(shù)中采用的是機(jī)械或聲光掃描裝置，帶來耗時、噪音、干擾等問題。本發(fā)明采用計算機(jī)優(yōu)化方法設(shè)計掃描圖形，并將事先設(shè)計好的不同位置的掃描圖形存在圖像庫中，在采集掃描全息圖時調(diào)用，實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時二維掃描，并將掃描時間縮短到5分鐘以內(nèi)。掃描圖形的優(yōu)化設(shè)計采用模擬退火算法，以菲涅耳波帶板為基本圖形，在基本圖形的基礎(chǔ)上加上調(diào)制函數(shù)，通過對調(diào)制函數(shù)的優(yōu)化，最終得出具有圓對稱結(jié)構(gòu)、并保證系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)接近理想二維狄拉克函數(shù)(即δ函數(shù))的掃描圖形。
透過液晶空間光調(diào)制器的調(diào)制激光束，經(jīng)過透鏡和位于透鏡后焦面的小孔光闌，濾掉液晶空間光調(diào)制器的高級次衍射光，只保留零級衍射光。偏振片和1/4波片組成的圓起偏器，可將受優(yōu)化帶板調(diào)制的激光束轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光，直接照射被測物體。大相對孔徑非球面透鏡將透過被測物體的光束會聚于光電倍增管上，通過1/4波片和檢偏器組成的圓檢偏器檢測出信號光，實(shí)現(xiàn)偏振選通。光闌用于空間選通。利用偏振選通和空間選通相結(jié)合的復(fù)合選通技術(shù)，可以有效地去掉多次漫射光所造成的背景噪音，極大地提高重建圖像的襯比度和信噪比。光電倍增管將光信號實(shí)時轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，送入計算機(jī)內(nèi)存。掃描結(jié)束之后，計算機(jī)內(nèi)存中便存儲了掃描全息圖矩陣，完成了掃描全息圖的記錄過程。
第二步掃描全息圖的再現(xiàn)過程，即對物體的解碼過程，得到的再現(xiàn)像稱為解碼像。
這一過程是在計算機(jī)中進(jìn)行的，充分體現(xiàn)了數(shù)字全息的優(yōu)勢。假設(shè)優(yōu)化帶板透過率函數(shù)為FOZP，當(dāng)其用平面顯示器顯示出來時(本發(fā)明用的是空間光調(diào)制器)疊加了一直流項，這一直流項會造成強(qiáng)的背景噪音，這是一般的非相干編碼孔徑成像技術(shù)的原理噪音。我們采用構(gòu)造互補(bǔ)全息圖的方法來抑制背景噪音。首先構(gòu)造一個正編碼函數(shù)(1+FOZP)和一個負(fù)編碼函數(shù)(1-FOZP)，然后將兩個編碼函數(shù)分別掃描得到的正全息圖Hp和負(fù)全息圖Hn作相減運(yùn)算(Hp-Hn)，得到互補(bǔ)全息圖Hpn。這樣就可以消除直流項所帶來的全息圖上的背景噪音。解碼時用雙極性的FOZP對互補(bǔ)全息圖進(jìn)行相關(guān)解卷積，即可得到無背景噪音的物體的再現(xiàn)像。利用構(gòu)造數(shù)字互補(bǔ)全息圖的方法進(jìn)行解碼，得到高清晰度、高襯比度的物體再現(xiàn)像，這是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)之一。
最后通過旋轉(zhuǎn)掃描叉車，改變掃描方向，得到其它檢測方向的圖像，綜合出被檢物體的三維像。
有益效果1.采用空間調(diào)制的光束照射物體，對物體信息進(jìn)行編碼，然后，對物體的編碼像進(jìn)行數(shù)字相關(guān)解碼，得到物體在不同縱向位置精確的重建像。
2.采用計算機(jī)和液晶空間光調(diào)制器實(shí)時生成的編碼圖形進(jìn)行無運(yùn)動掃描的方法，擯棄了機(jī)械、聲光等掃描裝置，不僅減小了儀器的體積、重量，而且將信號采集時間縮短到5分鐘以內(nèi)，達(dá)到了臨床實(shí)用水平。
3.采用計算機(jī)優(yōu)化的波帶板圖形作為編碼圖形，使得成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)更接近理想的二維狄拉克函數(shù)，提高了成像質(zhì)量。
4.構(gòu)造數(shù)字互補(bǔ)全息圖，采用互補(bǔ)解碼函數(shù)，消除非相干全息成像的零級衍射像和孿生像，極大地提高了再現(xiàn)像的信噪比和分辨率。
5.應(yīng)用偏振選通和空間選通相結(jié)合的復(fù)合選通技術(shù)，達(dá)到將彈道光、蛇行光與漫射光分離的目的，有效地抑制了因漫射光造成的重建圖像的背景噪音。
6.優(yōu)選激光波長為780nm，以及適當(dāng)提高激光功率，可以增大成像深度，提高人體組織的探測厚度。
7.儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧，比如，將光學(xué)系統(tǒng)集成在光學(xué)頭中，將探測系統(tǒng)集成在光電接收頭中，采用左右螺桿帶動兩螺母開合夾持裝置，采用掃描叉車改變掃描方向等。


圖1是本發(fā)明三維高清晰度乳腺成像儀結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明三維高清晰度乳腺成像儀光學(xué)成像原理1中1-激光電源；2-光學(xué)頭；3-光電接收頭；4-被檢人體組織；5-掃描叉車；6-左右螺桿帶動兩螺母開合夾持裝置；7、8-分別是計算機(jī)控制的360°轉(zhuǎn)臺和X-Y電移臺；9-計算機(jī)；圖2中S-大功率半導(dǎo)體激光器；SLM-液晶空間光調(diào)制器；L1-透鏡；F1-小孔光闌；P-起偏器；Q1、Q2-1/4波片；O-被測物體；L2-非球面透鏡；PMT-光電倍增管；A-檢偏器；F2-光闌；PC-計算機(jī)；A/D-模數(shù)變換器；f1-透鏡L1焦距；f2-非球面透鏡L2焦距；文中OZP-優(yōu)化帶板；FZP-菲涅耳波帶板；實(shí)施例本發(fā)明采用的是非相干編碼孔徑成像技術(shù)，強(qiáng)烈的背景噪音是這種技術(shù)普遍存在的原理噪音，我們采用以下幾種方法消除這種技術(shù)固有的噪音。
方法一構(gòu)造互補(bǔ)全息圖的方法。假設(shè)優(yōu)化帶板透過率函數(shù)為FOZP，當(dāng)用空間光調(diào)制器顯示出來時需加一直流項，這一直流項便是造成背景噪音的因素。首先構(gòu)造一個正編碼函數(shù)(1+FOZP)和一個負(fù)編碼函數(shù)(1-FOZP)，然后再將兩個編碼函數(shù)分別掃描得到的正、負(fù)全息圖相減，得到互補(bǔ)全息圖。這樣就可以消除直流項所帶來的全息圖上的背景噪音。解碼時用FOZP對互補(bǔ)全息圖進(jìn)行解碼，得到無背景噪音的再現(xiàn)像。
方法二構(gòu)造sin模式互補(bǔ)全息圖的方法。選擇菲涅耳波帶板(FZP)作為編碼孔徑，分別設(shè)計正sin模式的FZP和負(fù)sin模式的FZP。用這兩種模式的FZP分別掃描，得到正、負(fù)兩種形式的掃描全息圖。然后，在計算機(jī)中對正、負(fù)兩種形式的掃描全息圖矩陣做相減運(yùn)算，得到sin模式互補(bǔ)全息圖。這樣就可以消除直流項所帶來的全息圖上的背景噪音。解碼時用sin模式的FZP對互補(bǔ)全息圖進(jìn)行解碼，得到無背景噪音的再現(xiàn)像。
方法三構(gòu)造復(fù)全息圖的方法。設(shè)計四種編碼函數(shù)，即正sin模式的FZP，負(fù)sin模式的FZP，正cos模式的FZP，負(fù)cos模式的FZP。用這四種模式的FZP分別掃描，得到四種形式的掃描全息圖。然后，在計算機(jī)中分別對正、負(fù)同種形式的掃描全息圖矩陣做相減運(yùn)算，得到sin模式互補(bǔ)全息圖Hs和cos模式互補(bǔ)全息圖Hc。將Hs和Hc組合成復(fù)函數(shù)Hs+jHc。解碼時用復(fù)菲涅耳波帶板進(jìn)行解碼，得到無背景噪音的再現(xiàn)像。
掃描全息圖的接收可以用光電倍增管和雪崩二極管兩種方式。
權(quán)利要求
1.一種三維高清晰度乳腺成像儀，主要包括激光器及電源、光學(xué)頭、光電接收頭、旋轉(zhuǎn)式掃描叉車、開合夾持裝置、控制臺，其特征在于采用優(yōu)化帶板編碼的光學(xué)掃描全息術(shù)兩步成像方案，即利用近紅外光學(xué)掃描全息術(shù)實(shí)時采集乳腺組織結(jié)構(gòu)信息，然后，通過數(shù)字解碼，重建乳腺組織的三維圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的三維高清晰度乳腺成像儀，其特征在于光學(xué)掃描全息術(shù)中利用計算機(jī)控制的空間光調(diào)制器實(shí)時掃描技術(shù)，即利用計算機(jī)實(shí)時生成不同掃描位置的優(yōu)化帶板編碼圖形，輸出到液晶空間光調(diào)制器上，并用大功率近紅外激光束讀出，實(shí)現(xiàn)實(shí)時、快速二維掃描。
3.如權(quán)利要求1所述的三維高清晰度乳腺成像儀，其特征在于優(yōu)化帶板編碼圖形的設(shè)計方法及所采用的優(yōu)化帶板編碼圖形，即對有限孔徑菲涅耳波帶板(FZP)進(jìn)行多參量、多種方法的優(yōu)化，得到的優(yōu)化帶板(OZP)編碼圖形和解碼圖形，在結(jié)構(gòu)和線型上均不同于菲涅耳波帶板，這是一種非冗余帶板，使得系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)非常接近理想的二維狄拉克函數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的三維高清晰度乳腺成像儀，其特征在于在數(shù)字解碼系統(tǒng)中消除噪音的技術(shù)，即設(shè)計正、負(fù)兩種掃描圖形，分別記錄掃描全息圖，然后在計算機(jī)中構(gòu)造數(shù)字互補(bǔ)全息圖，解碼時利用與編碼函數(shù)相應(yīng)的互補(bǔ)解碼函數(shù)進(jìn)行解碼，得到高襯比度、高信噪比的再現(xiàn)像。
全文摘要
本發(fā)明為三維高清晰度乳腺成像儀，屬于生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，用于乳腺疾病的無損檢測。本發(fā)明根據(jù)圖像的灰度、組織結(jié)構(gòu)、外形尺寸，特別是根據(jù)乳房組織的光學(xué)特性參數(shù)半定量或定性判斷乳腺組織的病變位置和程度。采用被稱為醫(yī)學(xué)“治療窗口”的近紅外光(600～900nm)作為光源，用特殊的編碼孔徑對照射光進(jìn)行空間調(diào)制，被調(diào)制后的光束對人體乳腺組織進(jìn)行無損探測，接收攜帶了乳腺組織結(jié)構(gòu)信息的透射光，形成數(shù)字式近紅外光學(xué)掃描全息圖。然后，利用數(shù)字解碼技術(shù)提取乳腺組織的信息，并以三維、高清晰度圖像的方式顯示出來。
文檔編號A61B19/00GK101015446SQ20061015274
公開日2007年8月15日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者謝敬輝, 孫萍, 莫曉麗 申請人:北京理工大學(xué), 北京師范大學(xué)