專利名稱：利用多波長同時數據采集進行乳房成像的醫(yī)用光學成像掃描儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明整體而言涉及醫(yī)療診斷成像裝置，更具體地說，涉及一種乳房造影機，它采用近紅外激光作為輻射源。
當前的X射線攝影法的X射線吸收密度分辨率不足以提供對惡性腫瘤的可靠的早期檢測。研究表明，對于1厘米以上尺寸的乳房腫瘤，轉移的可能性急劇提高。這種尺寸的腫瘤在乳房X射線照片中很少產生足夠的對比度而可以檢測到。而要在乳房X射線照片中產生足夠的對比度，需要2-3厘米的尺寸。在常規(guī)的乳房造影法中，用于對腫瘤的推論性檢測的鈣沉積似乎與大尺寸的腫瘤相關。由于這些原因，在對此條件的檢測中，乳房造影照相法已經沒有什么效果了。
目前在臨床和醫(yī)院所使用的大多數乳房造影設備都需要乳房壓縮技術，這種技術最多讓患者不舒服，在很多情況下會感到疼痛。另外，X射線構成電離輻射，當乳房造影技術被普遍采用時其中會有更多的危險因素。
也有人提出過超聲波技術，如美國專利4,075,883所述，該技術要求乳房被浸入充滿流體的掃描腔。美國專利3,973,126也要求乳房被浸入充滿流體的掃描腔用于X射線掃描技術。
近來，人們已經在研究利用光(特別是激光)在體內實現無損傷性內窺，以展現內部結構。這種技術被稱為光學成像。光學成像和分光鏡檢查是光學斷層攝影法的關鍵組成部分。過去十幾年的快速進步使得光學斷層攝影法達到了臨床有效應用之邊緣。光學波長光子并沒有如X射線光子那樣以直線穿過體內組織。這種現象使得在光子顯現出被掃描的取樣之前就分散在組織內部。
因為X射線光子傳播基本上是直線的，人們已經在設計出基于氡轉換的較直傳送技術，通過采用計算機算法來產生經計算的X線斷層攝影圖像。通過繞掃描對象的360度得到多個測量結果。這些測量結果被稱為投影，它們被用于反向投影數據以產生表示掃描對象之內部的圖像。
在光學斷層攝影法中，人們已經設計出數據公式和投影技術來完成重建功能，有點類似于X射線斷層攝影法。然而，因為光線光子傳播不是直線的，產生剖面圖像的技術的數學性很強，并總是需要建立掃描對象的邊界。邊界的確定是非常重要的，因為它是作為重建技術以產生內部構造細節(jié)的基礎。令人滿意的算法并未采用任何形式的直接測量技術來建立掃描對象的邊界。
當利用不同波長的光照射乳房、或采集有關于被引入乳房的熒光材料所發(fā)出的光的信息時得到的數據能夠由掃描儀采集時，可以獲得關于乳房內部的額外信息。
本發(fā)明的目的和概述本發(fā)明的一個目的是提供一種醫(yī)用光學成像裝置的掃描儀，它采用熒光標記，以提供乳房內部之異常的增強標識，該異常超出了光散射和吸收的內在局部變化。
本發(fā)明的另一目的是提供一種醫(yī)用光學成像裝置的掃描儀，它以多個波長實現光學數據的同時采集。
本發(fā)明的又一目的是提供一種醫(yī)用光學成像裝置的掃描儀，它實現由乳房內部之至少兩個平面同時采集數據。
本發(fā)明的又一目的是提供一種醫(yī)用光學成像裝置的掃描儀，它實現衰減數據和熒光數據的同時采集。
本發(fā)明的又一目的是提供一種醫(yī)用光學成像裝置的掃描儀，它能夠實現關于衰減及熒光數據的造影劑(如靛青綠，ICG)的預注入和后注入，并根據原始數據組之間的差別來重建圖像。
總之，本發(fā)明提供一種醫(yī)用光學成像裝置的掃描儀，包括照明源，其位置使得發(fā)射的光線射入位于一支撐面以下的乳房，第一及第二組光電檢測器，它們環(huán)繞乳房呈弧形放置，以同時檢測從乳房發(fā)出的光線；以及光學濾波器，設置在第一組光電檢測器之前，以限制到達第一組光電檢測器的光線之波長。
本發(fā)明還提供一種用于使乳房成像的裝置，包括掃描腔，用于在其中容納被掃描的乳房；激光束，位于該掃描腔內以照射在乳房上，該激光束適于環(huán)繞乳房；第一及第二組檢測器，它們環(huán)繞乳房呈弧形放置，以同時檢測從乳房發(fā)出的光，以分別產生第一及第二投影數據；光學濾波器，可操作地與第一組檢測器相關聯，以限制到達第一組檢測器的光之波長為由引入乳房內的造影劑在被該激光束激發(fā)后所發(fā)出的輻射之波長；及一計算機，用于從引入造影劑后所獲得的相應的第一及第二投影數據中減去在乳房中引入造影劑之前的第一及第二基線投影數據，并根據由此得到的投影數據來重建乳房的圖像。
本發(fā)明進一步提供一種用于被掃描乳房之圖像重建的數據采集方法，包括提供激光束；在乳房內提供造影劑；使激光束順時針環(huán)繞乳房，以獲得第一組投影數據；使激光束逆時針環(huán)繞乳房，以獲得第二組投影數據；提供環(huán)繞乳房并呈弧形放置的第一及第二組檢測器，以檢測由乳房發(fā)出的光，分別產生第一及第二組投影數據；限制第一組檢測器為該組織內的造影劑在被所述激光束激發(fā)后所發(fā)出的輻射之波長；以及從引入造影劑后所獲得的相應的第一及第二投影數據中減去在乳房中引入造影劑之前獲得的第一及第二基線投影數據，以獲得相應的差值投影數據用于圖像重建。
由以下的詳細描述將使本發(fā)明的上述目的及其它目的變得更為清楚。
附圖簡述

圖1是根據本發(fā)明的一種醫(yī)用光學成像裝置的側面示意立視圖，圖中示出一個患者位于支架上，她的乳房懸垂在一個掃描腔內；圖2是圖1中所示掃描儀之放大的側面示意立視圖；圖3是本發(fā)明中所采用的信號處理系統的示意圖；圖4是根據本發(fā)明所制成的準直儀的立體圖，圖中示出多個開口以限制檢測器的視場；圖5是圖4中所示準直儀之一部分的局部放大立體圖，示出用于檢測器之上行的濾波器之組合；圖6是掃描儀的平面示意圖，示出患者的乳房、照射光束、準直儀、檢測器的視場(field of view)以及檢測器之間的關系；圖7示出關于檢測器的頻譜響應、激光束、熒光發(fā)射波長以及光學濾波器頻譜響應；圖8A和圖8B示出用于掩膜數據(mask data)和投影數據的數據采集的流程圖；圖9示出從圖像重建前之相應的層面數據投影減去掩膜數據的流程圖。
本發(fā)明的詳細描述合并在此作為參考的美國專利5,692511、6,100,520和6,130,958中公開了一種醫(yī)用光學成像裝置。
參照圖1和圖2，患者2俯臥在掃描臺4上，一個乳房6懸垂在掃描腔8內，該掃描腔8穿過經該臺的開口3。醫(yī)用光學成像掃描儀10包括激光束11和準直儀12，準直儀12被固定在環(huán)繞板14和升降板16上。準直儀12與光電檢測器22相關聯(見圖4)，如光電二極管。環(huán)繞板14通過一個圓周環(huán)繞乳房以獲得一組數據。升降板16通過傳動螺桿18被垂直移動，以將環(huán)繞板14定位在不同的垂直位置上，環(huán)繞板14在這些不同的垂直位置上再次通過一個圓周環(huán)繞乳房，以獲得另一組數據。
參照圖3，示出一個電子數據采集系統20的示意圖。盡管為清楚起見僅示出一個光電檢測器22，應該理解的是，采用多個光電檢測器22并配置成環(huán)繞乳房的弧形。照射在光電檢測器22(如光電二極管)上的光導致有電流流動。每一個光電檢測器22連接其自己的積分器(integrator)22，它產生與光電檢測器22產生的電流量成正比的電壓輸出。該電壓輸出被耦合到電子倍增器26。電子倍增器26的輸出被耦合到模數轉換器(ADC)28，以提供數字化的輸出，該輸出又被耦合到計算機30，該數字化的輸出被存儲在此供以后使用。系統20的示例被公開在美國專利6,150,649和未授權的專利申請09/199,440(1998年11月25日遞交)，這兩項專利或申請合并在此作為參考。
參照圖4，準直儀12包括一系列穿過主體34的孔32，該主體形成弧形環(huán)繞乳房6。光電檢測器22位于每個孔32的端部，以檢測由于在掃描期間照射在乳房上的激光束11引發(fā)的、來自乳房6的光。透鏡38可以放置在每一個光電檢測器22之前，以提高光的聚集性能。
準直儀孔32被布置在一個上行及一個下行中。沿上行孔32通過每個孔32的水平中心線并行于沿下行的每個孔32的中心線。上行孔的中心線定義一個通過乳房的平面41。下行中的孔的中心線定義另一個平面43。上行中每個孔的垂直中心線可以和下行中對應的孔之垂直中心線成一條直線?；蛘?，在上行中每個孔的垂直中心線可以與第二行中孔的垂直中心線相互交錯或水平偏移，以使兩行之間的垂直間隔最小。
參見圖5，一個光學截止或帶通濾波器40被放置在與上行孔相關聯的每個光電檢測器22之前，以限制光電檢測器的光譜響應于所期望的波長范圍。一個固定塊42用于將該組件固定在一起，并準確地定位光電檢測器22。機用螺釘44將塊32固定在主體34上。應該理解的是，可以采用多個固定塊42及其相應的光電檢測器，盡管為清楚起見僅示出一個。固定塊42具有開口46，使通過孔32的光可以到達相應的光電檢測器22。
準直儀12被示意性地示出在圖6的平面圖中。每個開口32都向著掃描儀的旋轉中心45。每個開口32具有一個可見區(qū)(示意性地標識在39)，以限制可被光電檢測器22檢測的光的方向和量。準直儀的示例被公開在美國專利6,100,520中，該專利被合并在此作為參考。
掃描儀10被用于以兩個不同波長同時采集數據。對應于一個波長的一組數據由與上行孔32相關聯的光電檢測器采集，對應于另一個波長的另一組數據由與下行孔32相關聯的光電檢測器采集。這一功能的完成是通過借助于濾波器40來限制上行或下行光電濾波器暴露于某些波長下。濾波器40阻止所有以激光源波長通過乳房而發(fā)送的光，同時允許熒光被檢測。另一行光電檢測器檢測到通過乳房發(fā)送的光和從乳房內發(fā)出的熒光之和。利用這一結構，可以根據掃描儀環(huán)繞乳房的單個旋轉來重建有效衰減和熒光圖像。
參見圖7，光電檢測器22的頻譜響應被標識在48。激光束波長被整體標識于50。熒光吸收波長帶被整體標識在52。熒光發(fā)射波長帶被整體標識在54。濾波器40是光學截止濾波器，它阻止具有吸收波長52的光到達光電檢測器，但允許由于熒光發(fā)射54導致的任何光通過。該濾波器限制濾波的光電檢測器暴露于那些比濾波器截止波長更長的波長，整體標識在56。濾波器40也可以是帶通濾波器。
來自濾波的光電二極管組的數據被用于重建乳房內之區(qū)域的熒光圖像。通過采用熒光團，如靛青綠(Indocynine Green)或適當的造影劑，將其注入血流中，使熒光被引入乳房，或以其它方式引入乳房。熒光團被激光源所激發(fā)，使其發(fā)射熒光。來自未濾波的光電檢測器行的數據被用于重建乳房的吸收圖像。由于在掃描乳房期間獲得乳房的周長，吸收圖像和熒光圖像被共同記錄在該周長內，這些圖像是利用未濾波的激光和由通過掃描激光束對熒光團的激發(fā)而引發(fā)的熒光發(fā)射來重建的。在掃描期間獲得乳房之周長的裝置之示例被公開在美國專利6,044,288和6,029,077中，它們被合并在此作為參考。
熒光團的采用被進一步公開在美國專利5,952,664中，它于1999年9月14日公布，合并在此作為參考。
存儲在計算機30中的數字化信號在此被稱為投影數據，它們被用于重建乳房的圖像，如美國專利6,130,958中所述，并將其合并在此作為參考。參見圖8A和圖8B，描述了關于一系列投影數據采集的流程圖。患者俯臥在掃描臺4上，她的乳房6通過開口置于掃描腔18中。激光束和光電檢測器22在一個方向環(huán)繞乳房一起旋轉360度，并采集到一組投影數據，其對應于上行及下行檢測器。完成該數據采集后，該掃描儀的旋轉方向被反向，并對應于上行及下行檢測器采集到另一組投影數據。這一系列的數據被整體標識在60。
參見圖8A、圖8B及圖9中的“掩膜”(mask)和“層面”(slice)，以下將由上行及下行光電檢測器同時采集的兩組數據認為是該掃描儀以順時針或逆時針方向旋轉，其中一組數據對應于上行光電檢測器通過平面41掃描乳房，另一組數據對應于下行光電檢測器通過平面43進行掃描(參見圖2)。
為建立預注入基線，在ICG注入之前，分別獲取第一及第二組投影數據，它們分別被稱為順時針(CW)掩膜62和逆時針(CCW)掩膜64，如在65的標識。在CW掩膜62和CCW掩膜64被采集后，在該掃描儀的相同垂直位置繼續(xù)進行掃描，重復采集投影數據，以順時針方向采集的數據被稱為層面CW數據66，以逆時針方向采集的數據被稱為層面CCW數據68。
獲取CW掩膜62和CCW掩膜64后，將造影劑，如靛青綠(ICG)，注射到體內，如在70的整體標識。ICG是一種用于血流測量的標準診斷輔助劑。數據采集持續(xù)一段時間，在CW數據66和CCW數據68之間進行交替，直到ICG清除系統，如在72的整體標識。
參見圖9，結束數據采集序列后，執(zhí)行在74及76的數據相減，然后進行圖像重建。由于光學圖像重建算法是迭代的，其中展現由于負性和逐次近似約束(relaxation constraint)的非線性特性，投影數據被相減，而不是被重建的圖像。對于順時針旋轉的數據采集，采用層面數據66和掩膜數據62。利用從相應的層面數據66減去掩膜數據62，來執(zhí)行數字減法以得到圖像投影數據，以重建圖像78。同樣，用從相應的層面數據68減去掩膜數據64，來執(zhí)行在76的數字減法以得出圖像投影數據，以重建圖像80。在減法中，應該理解的是，掩膜數據的上行或下行部分被從相應的層面數據之上行或下行部分中減去。這個減法處理的結果形成一個圖像，該圖像僅包括使用造影劑后所獲得的圖像中之新的信息。由此產生乳房的時間序列之圖像，示出ICG到達并充滿乳房時的熒光圖像，其可被用于顯示造影劑的吸收、沖失等。
在上述的數據采集序列中，掃描儀在某一垂直位置是靜態(tài)的，其中乳房中的病變應該在整個層面平面上展現最大的剖面區(qū)域。
在掃描儀10被用于單個波長的場合，應該將濾波器40移開，并不能獲得掩膜數據，因為不能完成減法。
除了光電二極管之外，光電檢測器22也可以是雪崩光電二極管、光電倍增管、微通道板、電荷耦合器件(CCD)或其它光電檢測器。
盡管本發(fā)明已被描述為具有優(yōu)選的設計，應該理解的是，它可以做進一步的修改，采用和/或適應大體上按照本發(fā)明的原理，包括在本領域已知的或通常的作法范圍內所得出的對本發(fā)明的背離，以及如應用于所提出的基本特征，都將落入本發(fā)明的范圍或權利要求書的限定內。
權利要求
1.一種用于使乳房成像的裝置，包括a)掃描腔，用于在其中容納被掃描的乳房；b)激光束，位于所述掃描腔內以照射在乳房上，該激光束適于環(huán)繞乳房；c)第一及第二組檢測器，它們環(huán)繞乳房呈弧形放置，以同時檢測從乳房發(fā)出的光，以分別產生第一及第二投影數據；d)光學濾波器，可操作地與所述第一組檢測器相關聯，以限制到達所述第一組檢測器的光之波長為由引入乳房內的造影劑在被所述激光束激發(fā)后所發(fā)出的輻射之波長；及e)一計算機，用于從引入造影劑后所獲得的相應的第一及第二投影數據中減去在乳房中引入造影劑之前的第一及第二基線投影數據，并根據由此得到的投影數據來重建乳房的圖像。
2.如權利要求1的裝置，其中，所述第一基線投影數據是從所述第一及第二組檢測器在其順時針旋轉期間獲得的。
3.如權利要求1的裝置，其中，所述第二基線投影數據是從所述第一及第二組檢測器在其逆時針旋轉期間獲得的。
4.如權利要求1的裝置，其中，所述濾波器是截止濾波器。
5.如權利要求1的檢測器陣列，其中，所述濾波器是帶通濾波器。
6.如權利要求1的檢測器陣列，其中，所述第一及第二組檢測器被布置在相應的第一及第二行中。
7.如權利要求1的檢測器陣列，其中a)所述第一行被設置在所述第二行之上；及b)所述第一行平行于所述第二行。
8.如權利要求1的掃描儀，其中，所述第一行平行于所述第二行。
9.如權利要求1的掃描儀，其中，所述第一行水平偏移所述第二行。
10.一種用于被掃描乳房之圖像重建的數據采集方法，包括a)提供激光束；b)在乳房內提供造影劑；c)使激光束順時針環(huán)繞乳房，以獲得第一組投影數據；d)使激光束逆時針環(huán)繞乳房，以獲得第二組投影數據；e)提供環(huán)繞乳房并呈弧形放置的第一及第二組檢測器，以檢測由乳房發(fā)出的光，分別產生第一及第二組投影數據；f)限制第一組檢測器為該組織內的造影劑在被所述激光束激發(fā)后所發(fā)出的輻射之波長；以及g)從引入造影劑后所獲得的相應的第一及第二投影數據中減去在乳房中引入造影劑之前獲得的第一及第二基線投影數據，以獲得相應的差值投影數據用于圖像重建。
11.如權利要求10的方法，其中，該造影劑是熒光團。
12.如權利要求11的方法，其中，該造影劑是靛青綠。
13.如權利要求11的方法，其中，所述的限制是用截止濾波器實現的。
全文摘要
一種用于使乳房(6)成像的裝置(10)，包括掃描腔(8)，用于在其中容納被掃描的乳房；激光束(11)，位于所述掃描腔內以照射在乳房上，該激光束適于環(huán)繞乳房；第一及第二組檢測器(22)，它們環(huán)繞乳房呈弧形放置，以同時檢測從乳房發(fā)出的光，以分別產生第一及第二投影數據；光學濾波器(40)，可操作地與所述第一組檢測器相關聯，以限制到達所述第一組檢測器的光之波長為由引入乳房內的造影劑在被所述激光束激發(fā)后所發(fā)出的輻射之波長；及一計算機(30)，用于從引入造影劑后所獲得的相應的第一及第二投影數據中減去在乳房中引入造影劑之前的第一及第二基線投影數據，并根據由此得到的投影數據來重建乳房的圖像。
文檔編號G01N21/64GK1429089SQ01809326
公開日2003年7月9日 申請日期2001年5月9日 優(yōu)先權日2000年5月9日
發(fā)明者羅伯特·H·韋克, 理查德·J·格拉布爾 申請人:成象診斷系統公司