小型高精度近红外线成像乳腺癌检测仪的研制开发.doc

小型高精度近红外线成像乳腺癌检测仪的研制开发盘疗值备憎墓小型高精度近红外线成像乳腺癌检测仪的研制开发谢意,崔太鹏,季林红(清华大学精密仪器糸,北京100084)【擒要近年来我国乳腺癌发病率逐年上升,提早检测乳腺癌是非常必要和有教的防范措箍.本文舟绍了此种新蛩检测仪的设计思想和结构特点.本检测仪扩大了检测范围以适应不同检测对象的检测要求,而且提高了近红外线成像的检测精度.实验证明本检测仪具有检测安全,操作简易,重复性好等优点.【关键词】近红外线成像;乳腺癌;检测仪;机构设计【中图分类号TH12【文献标识码A文章编号】1007-7510(2001)07一o01003Researchanddevelopmentofapintsize,highprecisionnearinfraredLightImagingBreastCancerDetectorXIEYi,CUIDapeng,JILINHong(DepartmentofPrecisionnstrumeritsandMechanologySchoolofMechanicalEngineeringTsinghuaUniversity.Beljing100084,China)Abstract:RecentlytheincidenceobreastCsnceriseseveryyearinourcountry.EarlydetectionotbreastCancerhasbeenc0nsideredanecessarvandeffectivepreventiveagainstthisdiseaseAndthisarticleintroducesthestructuraldesignandcharacteristiesOUtrnewlydevelopeddetectorThedetectorenlargesthedetectingrangesoastoButtheneedofdifferentobjectsandimprovesthedetcotingprecisionofNearIfraredLightImaging.Experimentsprovethatthisdetectorexcelsinsafedetection,easyoperationandsatisfactoryrepeatabiliytKeywords:NIR:BreastCancer;Detector:StructuralDesing据美国国家癌症协会1999年最新报道,乳腺癌是女性最常见的癌症疾病,并且死亡率仅次于肺癌.我国传统上是乳腺癌发病率较低的国家,但近年来却出现逐年上升的势头,引起了人们的重视.开发一种新型,有效的诊断和治疗技术势在必行.目前乳腺癌的检查方法中,最主要的是x光乳腺造影(XRaymamlTlO.graphv),但由于具有放射污染的缺陷,不能大规模应用于定期常规检测.由于小剂量的近红外光对人体完全无损,并且它对肿瘤组织和人体正常组织在各个光谱段散射和吸收系数存在差异,能够提供高对比度的肿瘤检测信息,因而采用近红外成像方法是一种非常有效的手段.与x光法相比,虽然分辨率较低,但是可以自然排除正常组织中轻微不均匀对图像产生的过多干扰,也不失为一个优点.尽管近红外线成像检测有上述的种种优点,但受其自身缺点的限制,仍存在一些问题.首先,检测精度得不到保证,动态检测范围过小.目前的检测仪由于【坡稿日期120O104一(32【傍回日期】2【1I】l一(3515基垒项目中国国宰自然科学基金资助项目(69601004)采用的是多发多收的机制,又因为激光管,倍增管,接收放大电路,耦台光路特性的差异,使得匹配性,稳定性较差,随着环境的变化,各路之间的相对变化较大而且不可预测.上下近红外线扫描探头轴向偏差达到lmm时,得到的检测数据就会产生较大误差,直接影响病变组织检测的准确性和可靠性.另外目前检测仪的动态检测范围过小,得不到足够的采样点数据;此外检测方式也不符合人机学的观点.例如,在检涮过程中,采用两玻璃板夹住病人乳房,病人处于坐姿,如果癌变发生在乳房根部或靠近淋巴区域,则很难检测出来,因而造成误诊等医疗事故.本文介绍的自行开发的近红外线乳腺癌检涮仪,克服了上述缺点,具有安全,检测精度高,操作简易等特点.1系统描述和总体设计思想本检赠系统包括硬件(机械扫描系统)和软件(数据分析系统)两大部分.系统检测流程如图1所示.本检测系统的检测流程可分为4个步骤.首先根据检测对象组织高度调节检测箱体的检测高度,然后夹紧组织开始检测,在该方向的检测结束后转换检测方位,10嚣2001年第7期帮I置疗缇备ft鸟重新进行扫描,最后是数据的采样和分析工作.在整个检测过程中,本系统采用计算机对数据点进行采样和重建乳房组织图形,并且开发了一套人机交互的数据分析系统以利于医务人员操作.但是由于近红外线成像的特殊性,对采样数据结果的精度要求很高,因此如何保证整个机械系统的高精度扫描和满足扫描的多方位要求是本检测系统的关键之一.图1世刑流程图2系统方案设计2.1扫描探头空间运动的一致性2.1.1提高近红外线传感器的扫描精度本检测系统的扫描装置侧向图如图2所示.采取如下设计:上扫描探头固定在传感步进块的上部,在传感步进块下部有一个T型槽,下扫描探头就固定在与T型槽严密配合的T型滑块上.本结构减小了两扫描探头的轴向扫描方向上的偏差.另外固定下扫描探头的夹持杆.与T型滑块上固定的挡块,同下夹持板配合.从而保证了下扫描探头与下夹持板的夹持方图2挂刹箱侧向图向的相对位置,保持了其空间运动的一致性.实验验证,上下扫描探头最终轴向偏差只有0.1ram,因而很好地保证了扫描质量.另一方面为实现扫描探头的小步精确轴向扫描,采用的是螺距为1.5ram的细牙丝杠传动.传动时,采用HB步进电机系列中的42BYGH101型号电机进行驱动传动,步进电机每步仪转9.故实际上每步仪为00375mm,而且传动平稳,易于控制.2.1.2提高扫描平滑性的设计为提高扫描精度,需要保持整个扫描系统在轴向扫描过程中的光滑连续性.因此扫描探头采用了与金属摩擦系数极小的聚四氟乙烯与夹持装置配合,采用此材料减小了传动过程中扫描探头夹持杆与夹持装置的摩擦,消除了扫描探头在扫描过程中滞后的趋势,因而对于扫描系统轴向的光滑连续扫描非常有利,从而保证了扫描的精度和质量.实际检测证明此种设计是非常有效的.2.2组织夹紧装置的优化设计考虑玻璃厚度和传播介质厚度对光强透过的影响.不仅要求上下玻璃厚度相同,而且上下扫描探头也要求与玻璃间隙相等相对位置固定.统计资料显示:女性的乳房大小范围是415cm,夹紧后大致在210era范围内.参考统计数据和组织夹紧的实际情况,仅仅需要调节一侧的夹持装置就可以达到调节上下夹持玻璃之间的距离的目的,因此仅仅使下夹持玻璃采用运动放大器(图3)来实现其升降运动,从而将下夹板的垂直运动转化为下丝杠的旋转运动.囤3行程放大器局部圈在这种控制结构中,存在两个比较明显的特点:其一,人体组织对夹紧装置的压力比较敏感,本结构易于检测对象自我调节.运动放大器是丝杠传动.在最上极限上升时,由于角度变化较小,丝杠每转动一圈.夹持装置距离变化相对较小,下玻璃块的上升速度减慢了,因此对组织的压力变化不大,从而有2001年第7期舔詹疗诅备槽重利于检测对象根据自身情况及时调整.其二.采用此结构可大大减小整个检测箱体的总体尺寸,这也符台现在医疗检测器械小型化的趋势,有利于消除检测对象的紧张感和整个系统的后期开发2.3实现多方位扫描以重建组织图形由于本实验仍采用单排扫描探头,因此如果仅在一个方向上扫描,得到的数据只能重构组织的二维图形,这不利于病变组织的检测.鉴于以上原因,后主轴与检测箱固接,并且以转动副轴与后板连接,从而可以实现检测箱体沿后主轴9090范围内的旋转.因而可对乳腺组织进行多方位的扫描.而多方位的扫描就有利于乳腺组织立体模型的重建,而且多方位的检测对于观察病变组织的形态非常有利.这一检测方法将大大改善单排传感头一维扫描的缺陷.对于病变组织的检测相当有和,由此提高了检测的灵敏度和精度.24体检测姿势的综合考虑为改善采取坐姿扫描的缺点,本检测仪采取了人体立姿测量.人体正确的立姿是指身体各个部分,包括头,颈,胸和腹部等都与水平面相垂直的稳态平衡,人体重量主要由骨架来承担.此时,肌肉和韧带的负担和身体变形最小,各器官的功能一呼吸,血液循环,消化等活动机械阻力最小,但舒适的立姿,身体可向前或向后倾斜1015.本检测仪设计检测对象是身高1.518m的女性,根据表1列出的统计数据,检测位置可变范围由乳头高统计数据确定为1100-1500mm.因此本检测仪在检测箱体下方的支撑架上安装了齿轮齿条机构,用以调整检测高度.另一方面扫描检测时为方便检测对象,消除被检测对象对检测姿势的不适感,本检测仪在后支架与系统升降机构之间设计安装了一套连杆机构.通过调节连杆的长度来达到调节检测箱检测角度的目的.从而实现了检测仪对不同检测姿势的调节.临床实验证明,此种设计非常实用.表1人体身体足寸统计型里旦墨壹兰曼堕!竺塾壹竺堕里!竺女157fl145411158252.5操作简便对于检测高度和组织夹紧的调节由检测对象采用手柄手动自我调节,实际检测中验证此方式很实用,而且操作方便.本检测仪利用计算机控制步进电机和对采样数据的处理,提供人机交互界面以利于医务人员的调整.而且还有一套与之配合的数据分析系统.在最后的临床实际检测中,验证了本操作系统操作非常方便,有利于疾病的检测.3临床检测结果在人体的实验数据处理上我们采用的是对数标尺的算法._圈4乳腺癌惠者双倒乳腺扫描的对比圈像如图4所示的是一个已经被确诊为乳腺癌的患者双侧乳隙扫描的对比图像.可以看出.左侧乳腺的外侧明显的存在一个强吸收的部分.尤其是当结合右侧正常的组织进行对比时,很明显的就能看出它与正常双侧乳腺的区别.图像中反映出的它的大概位置与钼靶造影片子上探出的结果一致.采用本检测仪实际检测以后,得到的图像质量比以前有了很大的提高,由此可以看出本系统能够老性的发现和探测肿瘤,且效果很好.4结论通过临床检测的结果和病人反馈的情况来看,采用近红外线检测的确具有多方面的优越性,是目前为止在乳腺疾病检测方面最有推广潜力,最有市场前景的检测方法.