專利名稱：多模態乳腺血氧功能成像系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種集功能影像和形態學影像于一體的醫學影像設 備，特別是涉及一種可應用于乳腺疾病診斷的多模態乳腺血氧功能成像系 統。
背景技術：
乳腺癌是婦女常見惡性瘤之一，近三十年來的臨床經驗總結表明乳 腺癌患者的死亡率并未因治療方法的任何改變而有所降低，其主要原因是 臨床患者多數為中晚期，均因血行轉移而使治療失敗。乳腺癌的早期診斷 和早期治療是提高乳腺癌生存率的重要而有效的途徑，因此，對乳腺癌的 影像學診斷方法研究在國內外醫學界受到廣泛的重視。
現有的常規乳腺影像診斷設備要么是形態學影像設備，要么是功能學 影像設備，這樣使得一種設備提供給醫生診斷的信息量較少而且單一，其 結果導致診斷準確率不高。如果一種影像學診斷設備將形態學和功能學診 斷方法集于一體，形成一種多模態的影像學診斷設備，將為醫生診斷提供 全面的多模態信息，這也是近年來診斷影像學設備的一種發展趨勢。
發明內容
本實用新型的目是為了克服當前常規乳腺影像診斷設備模式單一(形態 學或功能學)的缺點，提供一種集形態學和功能學診斷于一體的多模態乳腺血氧功能成像系統。
為實現上述目的，本實用新型所采取的技術方案是-
一種多模態乳腺血氧功能成像系統，包括光源、血氧探測器、三算 子探測器、血氧和三算子信號采集單元、計算機及多模態分析處理系統， 其特征在于血氧探測器中兩個輸出端經視頻線分別與血氧和三算子信號 采集單元中的血氧圖像采集卡的兩個輸入端相連，三算子探測器的輸出端
經視頻線與血氧和三算子信號采集單元中的三算子圖像采集卡的輸入端相 連，血氧和三算子信號采集單元的三個輸出端分別與計算機及多模態分析 處理系統相連。
所述的計算機及多模態分析處理系統，包括計算機、乳腺血氧分析和 處理單元、三算子分析和處理單元、多功能圖像顯示單元，血氧和三算子 信號采集單元的血氧圖像采集卡的兩個輸出端分別與乳腺血氧分析和處理 單元的兩個輸入端相連，血氧和三算子信號采集單元的三算子圖像采集卡 的輸出端與三算子分析和處理單元的輸入端相連，計算機分別與乳腺血氧 分析和處理單元、三算子分析和處理單元的輸出端相連，計算機與多功能 圖像顯示單元的輸入端相連，多功能圖像顯示單元由雙顯顯卡和雙顯示屏 構成，雙顯示屏分別用于顯示血氧功能圖像和三算子圖像。
所述的光源為發出500nm-1500nm連續光譜的可見 近紅外光源，光
源發出的可見 近紅外連續光透射乳腺后分成兩個光路功能學信息光路
和形態學信息光路，分別進入血氧探測器和三算子探測器。
所述的血氧探測器由兩個并列置放的濾光片、兩個并列置放的透鏡和 兩個并列置放的攝像頭組成，兩個并列置放的濾光片分別置于兩個并列置放的透鏡的正前方，兩個并列置放的透鏡分別置于兩個并列置放的攝像頭
的正前方，兩個濾光片的透光波長范圍分別為、二600nm-800nm、人2 = 810nm-1000nm，兩個攝像頭的接收波長范圍均為500nm-1500nm的可見 近紅外連續光譜，用于分別接收功能學信息光路透過兩個濾光片的透射光 信號，并將透射光信號轉換成電信號輸出。
所述的三算子探測器由一個透鏡和一個攝像頭組成，攝像頭的接收波 長范圍為500nm-1500nm的可見 近紅外連續光譜，用于接收形態學信息 光路的透射光信號，并將透射光信號轉換成電信號輸出。
所述的血氧和三算子信號采集單元由兩個圖像采集卡組成， 一個為血 氧圖像采集卡具有兩個視頻輸入端口，將血氧探測器中兩個攝像頭輸出的 電信號分別從模擬量轉換成數字量，再輸入到乳腺血氧分析和處理單元， 乳腺血氧分析和處理單元應用乳腺組織血氧含量計算公式將血氧圖像采集 卡輸入的數字量進行分析和處理得到乳腺組織血氧功能數據；另一個為三 算子圖像采集卡具有一個視頻輸入端口，將三算子探測器中攝像頭輸出的 電信號從模擬量轉換成數字量，再輸入到三算子分析和處理單元，由三算 子算法將三算子圖像采集卡輸入的數字量進行分析和處理得到三種特征圖 像數據；多功能圖像顯示單元將乳腺血氧分析和處理單元經過計算后得到 的乳腺組織血氧功能數據和三算子分析和處理單元處理后得到的三種特征 圖像數據轉化成圖像方式顯示在顯示屏上，用于醫生的分析和診斷。
還包括系統控制單元、云臺鏡頭控制單元和功能鍵操作單元，系統控 制單元分別與計算機、云臺鏡頭控制單元、功能鍵操作單元相連，云臺鏡 頭控制單元與固定血氧探測器和三算子探測器的云臺相連。計算機通過系統控制單元來調節控制云臺鏡頭控制單元和功能鍵操作單元，云臺鏡頭控 制單元用于控制云臺帶動血氧探測器、三算子探測器內的攝像頭的上下左 右旋轉和攝像頭鏡頭的聚焦和光圈調節，功能鍵操作單元設置電源開關、 云臺控制按鈕和鏡頭調節按鈕。
還包括圖像存檔與通信單元、報告單生成與打印單元、數據庫管理與 檢索單元，圖像存檔與通信單元、報告單生成與打印單元、數據庫管理與 檢索單元的輸入端分別與計算機相連。通過計算機將乳腺組織血氧功能數 據和三種特征圖像數據存放在數據庫管理與檢索單元并可由圖像存檔與通 信單元實現血氧功能圖像和三種特征圖像的遠程通信與傳輸，也可以通過 報告單生成與打印單元將乳腺組織血氧功能數據和三種特征圖像數據打印 出來。
乳腺組織血氧功能成像過程按以下步驟進行(1)、光源發出連續波長
為500nm-1500nm的可見 近紅外光并對被檢側乳腺(指人體兩個乳腺中疑 似患病的一個乳腺)透射，其透射光中的功能學信息光路再分兩路分別經過 波長為入尸600nm—800nm、 A 2=810nm—IOOO證的濾光片濾光，再經過透
鏡聚焦后分別通過各自的攝像頭成像在CCD平面上；而后，由各自的攝像
頭的模擬視頻輸出端口經視頻線分別傳送到血氧和三算子信號采集單元中 具有兩個視頻輸入端口的血氧圖像采集卡的輸入端，由血氧圖像采集卡再 通過模數轉化成數字量并輸入到乳腺血氧分析和處理單元，由乳腺血氧分 析和處理單元進行數據處理經計算機并輸出至多功能圖像顯示單元得到被
檢側乳腺的兩幅數字化乳腺圖像；(2)、按步驟(1)用連續波長的可見 近紅 外光(500nm — 1500nm)對參照側乳腺(指人體兩個乳腺中相對于被檢側乳腺的另一個乳腺)透射，得到參照側乳腺的兩幅數字化乳腺圖像；(3)、將步 驟(l)、 (2)得到的被檢側和參照側乳腺共四幅圖像由乳腺血氧分析和處理單 元經過計算公式①②計算后分別得到被檢側乳腺的血含量圖和氧含量圖。
血含量/^) = log，， ① 氧含量②
式中
A(x，力表示被檢側乳腺血含量圖上(X， y)處的血含量； /。0c,力表示被檢側乳腺氧含量圖上(X， y)處的氧含量； 巧(x,力表示可見 近紅外光透射被檢側乳腺并通過波長為A i的濾光
片后對應于紅外掃描圖像上(x， y)處CCD探測到的光強；
A(x，力表示可見 近紅外光透射被檢側乳腺并通過波長為入2的濾光
片后對應于紅外掃描圖像上(x， y)處CCD探測到的光強；
^(x,力表示可見 近紅外光透射參照側乳腺并通過波長為A i的濾光
片后對應于紅外掃描圖像上(x， y)處CCD探測到的光強；
^(x,力表示可見 近紅外光透射參照側乳腺并通過波長為A 2的濾光 片后對應于紅外掃描圖像上(x， y)處CCD探測到的光強。
乳腺三算子成像分析和處理過程按以下步驟進行(1)、由光源發出連 續波長為500nm-1500nm的可見 近紅外光并對乳腺透射，其形態學信息 光路中的透射光由三算子探測器接收，由攝像頭中的透鏡聚焦后再由CCD 將光信號轉換成電信號；而后，由攝像頭的模擬視頻輸出端口經視頻線傳 送到血氧和三算子信號采集單元中三算子圖像采集卡的輸入端，將模擬電信號轉化成數字量并輸入到三算子分析和處理單元，經計算機由多功能圖 像顯示單元得到乳腺的透照原始圖像；(2)、由三算子分析和處理單元對原 始圖像分別進行三算子處理得到如下三種特征信息，經計算機由多功能圖 像顯示單元得到乳腺三算子特征圖像。三算子功能如下
A 、改進后的SObd算子對圖像進行邊緣增強處理，能有效地提取近 紅外乳腺透射原始影像中的組織結構信息，讀取處理后所得到的等灰度曲 線，正常乳房常顯示以乳頭為中心的均勻弧形曲線；當組織結構異常時， 等灰度曲線則發生紊亂；
B、 改進后的各向異性梯度與平滑混合算子能有效地顯化原始圖像中
隱藏的血管，尤其是灰影區受背景影響顯化不清的血管，而血管的變化是
分辨良、惡性腫瘤的重要特征之一；
C、 邊緣銳化算子原始圖像受乳腺內組織結構變化的影響，背景往往 形成淺灰影，與病變區的灰影相重，看不清病變區灰影的邊緣，用邊緣銳 化算子處理后，能使灰影邊緣顯示出毛糙或光滑；邊緣不整，似蟹足狀是 惡性病變的特征，因而也能將腫塊外圍的血管惡性征兆表現出來。
圖1為多模態乳腺血氧功能成像系統構成框圖。 圖2為被檢側乳腺經入j慮光片后的透照原始圖。 圖3為被檢側乳腺經入2濾光片后的透照原始圖。 圖4為參照側乳腺經A i濾光片后的透照原始圖。 圖5為參照側乳腺經A 2濾光片后的透照原始圖。 圖6為乳腺的血含量圖。圖7為乳腺的氧含量圖。
圖8為乳腺的透照原始圖。
圖9為乳腺的透照原始圖經改進后的sobel算子處理的結構分析圖。 圖10為乳腺的透照原始圖經改進后的各向異性梯度與平滑混合算子處理的血管顯化圖。 圖11為乳腺的透照原始圖經邊緣銳化算子處理的邊緣檢測圖。
具體實施方式
以下結合附圖以及具體實施例來詳細描述本實用新型。
參見圖1， 一種多模態乳腺血氧功能成像系統，包括光源、血氧探 測器、三算子探測器、血氧和三算子信號采集單元、計算機及多模態分析 處理系統，其特征在于血氧探測器中兩個輸出端經視頻線分別與血氧和 三算子信號采集單元中的血氧圖像采集卡的兩個輸入端相連，三算子探測 器的輸出端經視頻線與血氧和三算子信號采集單元中的三算子圖像采集卡 的輸入端相連，血氧和三算子信號采集單元的三個輸出端分別與計算機及 多模態分析處理系統相連。
所述的計算機及多模態分析處理系統，包括計算機、乳腺血氧分析和 處理單元、三算子分析和處理單元、多功能圖像顯示單元，血氧和三算子 信號采集單元的血氧圖像采集卡的兩個輸出端分別與乳腺血氧分析和處理
單元的兩個輸入端相連，血氧和三算子信號采集單元的三算子圖像采集卡 的輸出端與三算子分析和處理單元的輸入端相連，計算機分別與乳腺血氧 分析和處理單元、三算子分析和處理單元的輸出端相連，計算機與多功能 圖像顯示單元的輸入端相連，多功能圖像顯示單元由雙顯顯卡和雙顯示屏 構成，雙顯示屏分別用于顯示血氧功能圖像和三算子圖像。所述的光源為發出500nm-1500nm連續光譜的可見 近紅外光源，光 源發出的可見 近紅外連續光透射乳腺后分成兩個光路功能學信息光路 和形態學信息光路，分別進入血氧探測器和三算子探測器。
所述的血氧探測器由兩個并列置放的濾光片、兩個并列置放的透鏡和 兩個并列置放的攝像頭組成，兩個并列置放的濾光片分別置于兩個并列置 放的透鏡的正前方，兩個并列置放的透鏡分別置于兩個并列置放的攝像頭 的正前方，兩個濾光片的透光波長范圍分別為？n = 600nm-800nm、入2 = 810nm-1000nm，兩個攝像頭的接收波長范圍均為500nm-1500nm的可見 近紅外連續光譜，用于分別接收功能學信息光路透過兩個濾光片的透射光 信號，并將透射光信號轉換成電信號輸出。
所述的三算子探測器由一個透鏡和一個攝像頭組成，攝像頭的接收波 長范圍為500nm-1500nm的可見 近紅外連續光譜，用于接收形態學信息 光路的透射光信號，并將透射光信號轉換成電信號輸出。
所述的血氧和三算子信號采集單元由兩個圖像采集卡組成， 一個為血 氧圖像采集卡具有兩個視頻輸入端口，將血氧探測器中兩個攝像頭輸出的 電信號分別從模擬量轉換成數字量，再輸入到乳腺血氧分析和處理單元， 乳腺血氧分析和處理單元應用乳腺組織血氧含量計算公式將血氧圖像采集 卡輸入的數字量進行分析和處理得到乳腺組織血氧功能數據；另一個為三 算子圖像采集卡具有一個視頻輸入端口，將三算子探測器中攝像頭輸出的 電信號從模擬量轉換成數字量，再輸入到三算子分析和處理單元，由三算 子算法將三算子圖像采集卡輸入的數字量進行分析和處理得到三種特征圖 像數據；多功能圖像顯示單元將乳腺血氧分析和處理單元經過計算后得到的乳腺組織血氧功能數據和三算子分析和處理單元處理后得到的三種特征 圖像數據轉化成圖像方式顯示在顯示屏上，用于醫生的分析和診斷。
還包括系統控制單元、云臺鏡頭控制單元和功能鍵操作單元，系統控 制單元分別與計算機、云臺鏡頭控制單元、功能鍵操作單元相連，云臺鏡 頭控制單元與固定血氧探測器和三算子探測器的云臺相連。計算機通過系 統控制單元來調節控制云臺鏡頭控制單元和功能鍵操作單元，云臺鏡頭控 制單元用于控制云臺帶動血氧探測器、三算子探測器內的攝像頭的上下左 右旋轉和攝像頭鏡頭的聚焦和光圈調節，功能鍵操作單元設置電源開關、 云臺控制按鈕和鏡頭調節按鈕。
還包括圖像存檔與通信單元、報告單生成與打印單元、數據庫管理與 檢索單元，圖像存檔與通信單元、報告單生成與打印單元、數據庫管理與 檢索單元的輸入端分別與計算機相連。通過計算機將乳腺組織血氧功能數 據和三種特征圖像數據存放在數據庫管理與檢索單元并可由圖像存檔與通 信單元實現血氧功能圖像和三種特征圖像的遠程通信與傳輸，也可以通過 報告單生成與打印單元將乳腺組織血氧功能數據和三種特征圖像數據打印 出來。
乳腺組織血氧功能成像過程按以下步驟進行(1)、光源發出連續波長
為500nm-1500nm的可見 近紅外光并對被檢側乳腺(指人體兩個乳腺中疑 似患病的一個乳腺)透射，其透射光中的功能學信息光路再分兩路分別經過 波長為入尸600nm—800nm、 A 2=810nm—IOOO歸的濾光片濾光，再經過透
鏡聚焦后分別通過各自的攝像頭成像在CCD平面上；而后，由各自的攝像
頭的模擬視頻輸出端口經視頻線分別傳送到血氧和三算子信號采集單元中具有兩個視頻輸入端口的血氧圖像采集卡的輸入端，由血氧圖像采集卡再 通過模數轉化成數字量并輸入到乳腺血氧分析和處理單元，由乳腺血氧分 析和處理單元進行數據處理經計算機并輸出至多功能圖像顯示單元得到被 檢側乳腺的兩幅數字化乳腺圖像如圖2、圖3; (2)、按步驟(l)用連續波長
的可見 近紅外光(500nm — 1500nm)對參照側乳腺(指人體兩個乳腺中相 對于被檢側乳腺的另一個乳腺)透射，得到參照側乳腺的兩幅數字化乳腺圖 像如圖4、圖5; (3)、將步驟(l)、 (2)得到的被檢側和參照側乳腺共四幅圖 像由乳腺血氧分析和處理單元經過計算公式①②計算后分別得到被檢側乳 腺的血含量圖如圖6和氧含量圖如圖7。
血含量①
氧含量/。Oc，力-^^^Zl ②
(x,力x入(x，力
式中
/Jx,力表示被檢側乳腺血含量圖上(X， y)處的血含量； /。(x,力表示被檢側乳腺氧含量圖上(X， y)處的氧含量； 巧(;c,力表示可見 近紅外光透射被檢側乳腺并通過波長為A !的濾光 片后對應于紅外掃描圖像上(x， y)處CCD探測到的光強；
A(x,力表示可見 近紅外光透射被檢側乳腺并通過波長為A 2的濾光
片后對應于紅外掃描圖像上(x， y)處CCD探測到的光強；
^(x,力表示可見 近紅外光透射參照側乳腺并通過波長為A !的濾光
片后對應于紅外掃描圖像上(x， y)處CCD探測到的光強；
厶(x,力表示可見 近紅外光透射參照側乳腺并通過波長為A2的濾光片后對應于紅外掃描圖像上(x， y)處CCD探測到的光強。
乳腺三算子成像分析和處理過程按以下步驟進行(1)、由光源發出連 續波長為500nm-1500nm的可見 近紅外光并對乳腺透射，其形態學信息 光路中的透射光由三算子探測器接收，由攝像頭中的透鏡聚焦后再由CCD 將光信號轉換成電信號；而后，由攝像頭的模擬視頻輸出端口經視頻線傳 送到血氧和三算子信號采集單元中三算子圖像采集卡的輸入端，將模擬電 信號轉化成數字量并輸入到三算子分析和處理單元，經計算機由多功能圖 像顯示單元得到乳腺的透照原始圖像如圖8; (2)、由三算子分析和處理單 元對原始圖像分別進行三算子處理得到如下三種特征數據，經計算機由多 功能圖像顯示單元得到乳腺三算子圖像如圖9、圖10、圖ll。三算子功能 如下
A 、改進后的sobd算子對圖像進行邊緣增強處理，能有效地提取近 紅外乳腺透射原始影像中的組織結構信息，讀取處理后所得到的等灰度曲 線，正常乳房常顯示以乳頭為中心的均勻弧形曲線；當組織結構異常時， 等灰度曲線則發生紊亂；
B、 改進后的各向異性梯度與平滑混合算子能有效地顯化原始圖像中 隱藏的血管，尤其是灰影區受背景影響顯化不清的血管，而血管的變化是 分辨良、惡性腫瘤的重要特征之一；
C、 邊緣銳化算子原始圖像受乳腺內組織結構變化的影響，背景往往 形成淺灰影，與病變區的灰影相重，看不清病變區灰影的邊緣，用邊緣銳 化算子處理后，能使灰影邊緣顯示出毛糙或光滑；邊緣不整，似蟹足狀是 惡性病變的特征，因而也能將腫塊外圍的血管惡性征兆表現出來。
權利要求1、一種多模態乳腺血氧功能成像系統，包括光源、血氧探測器、三算子探測器、血氧和三算子信號采集單元、計算機及多模態分析處理系統，其特征在于血氧探測器中兩個輸出端經視頻線分別與血氧和三算子信號采集單元中的血氧圖像采集卡的兩個輸入端相連，三算子探測器的輸出端經視頻線與血氧和三算子信號采集單元中的三算子圖像采集卡的輸入端相連，血氧和三算子信號采集單元的三個輸出端分別與計算機及多模態分析處理系統相連。
2、 根據權利要求1所述的多模態乳腺血氧功能成像系統，其特征在于 所述的計算機及多模態分析處理系統，包括計算機、乳腺血氧分析和處理 單元、三算子分析和處理單元、多功能圖像顯示單元，血氧和三算子信號 采集單元的血氧圖像采集卡的兩個輸出端分別與乳腺血氧分析和處理單元的兩個輸入端相連，血氧和三算子信號采集單元的三算子圖像采集卡的輸 出端與三算子分析和處理單元的輸入端相連，計算機分別與乳腺血氧分析 和處理單元、三算子分析和處理單元的輸出端相連，計算機與多功能圖像 顯示單元的輸入端相連。
3、 根據權利要求1或2所述的多模態乳腺血氧功能成像系統，其特征 在于還包括系統控制單元、云臺鏡頭控制單元和功能鍵操作單元，系統 控制單元分別與計算機、云臺鏡頭控制單元、功能鍵操作單元相連，云臺 鏡頭控制單元與固定血氧探測器和三算子探測器的云臺相連。
4、 根據權利要求1或2所述的多模態乳腺血氧功能成像系統，其特征 在于還包括圖像存檔與通信單元、報告單生成與打印單元、數據庫管理 與檢索單元，圖像存檔與通信單元、報告單生成與打印單元、數據庫管理與檢索單元的輸入端分別與計算機相連。
5、 根據權利要求1所述的多模態乳腺血氧功能成像系統，其特征在于所述的光源為發出500nm-1500nm連續光譜的可見 近紅外光源。
6、 根據權利要求1所述的多模態乳腺血氧功能成像系統，其特征在于 所述的血氧探測器由兩個并列置放的濾光片、兩個并列置放的透鏡和兩個 并列置放的攝像頭組成，兩個并列置放的濾光片分別置于兩個并列置放的 透鏡的正前方，兩個并列置放的透鏡分別置于兩個并列置放的攝像頭的正 前方，兩個濾光片的透光波長范圍分別為、=600nm-800nm、、= 810nm-1000nm，兩個攝像頭的接收波長范圍均為500nm-1500nm的可見 近紅外連續光譜，用于分別接收功能學信息光路透過兩個濾光片的透射光 信號，并將透射光信號轉換成電信號輸出。
7、 根據權利要求1所述的多模態乳腺血氧功能成像系統，其特征在于 所述的三算子探測器由一個透鏡和一個攝像頭組成，攝像頭的接收波長范 圍為500nm-1500nm的可見 近紅外連續光譜，用于接收形態學信息光路 的透射光信號，并將透射光信號轉換成電信號輸出。
8、 根據權利要求1所述的多模態乳腺血氧功能成像系統，其特征在于 所述的血氧和三算子信號采集單元由兩個圖像采集卡組成， 一個為血氧圖 像采集卡具有兩個視頻輸入端口，將血氧探測器中兩個攝像頭輸出的電信 號分別從模擬量轉換成數字量，再輸入到乳腺血氧分析和處理單元；另一 個為三算子圖像采集卡具有一個視頻輸入端口 ，將三算子探測器中攝像頭 輸出的電信號從模擬量轉換成數字量，再輸入到三算子分析和處理單元。
專利摘要本實用新型涉及一種多模態乳腺血氧功能成像系統，包括光源、血氧探測器、三算子探測器、血氧和三算子信號采集單元、計算機及多模態分析處理系統，其特征在于血氧探測器中兩個輸出端經視頻線分別與血氧和三算子信號采集單元中的血氧圖像采集卡的輸入端相連，三算子探測器的輸出端經視頻線與血氧和三算子信號采集單元中的三算子圖像采集卡的輸入端相連，血氧和三算子信號采集單元的三個輸出端分別與計算機及多模態分析處理系統相連。本實用新型提供一種集形態學和功能學診斷于一體的多模態乳腺血氧功能成像系統，為醫生診斷提供全面的多模態信息。
文檔編號A61B5/145GK201256969SQ20082019051
公開日2009年6月17日 申請日期2008年8月27日 優先權日2008年8月27日
發明者利 周, 喻學鋒, 張先林, 李凱揚, 楊宣東, 王曉芳, 彬 石, 謝則平 申請人:楊宣東