專(zhuān)利名稱(chēng)：一種胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置及方法。
背景技術(shù)：
癌癥是嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康甚至生命的一類(lèi)疾病。胃癌是最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，其死亡 率在我國(guó)居惡性腫瘤的首位，影響其治療最主要的因素是病期，早期胃癌的5年生存率可達(dá) 90%以上。目前，對(duì)胃部病變進(jìn)行檢査最有效的方法為纖維胃鏡，胃鏡下可了解病變的部位 和范圍，而且可對(duì)可疑病變?nèi)〔倪M(jìn)行病理學(xué)診斷。在臨床胃鏡檢測(cè)結(jié)果中， 一般很小比例的 病例為癌癥，絕大部分的病人則患有各種慢性炎癥，而若對(duì)炎癥病變未進(jìn)行及時(shí)的治療控制 和定期檢查監(jiān)測(cè)，炎癥則可能進(jìn)一步惡化，發(fā)生異型增生，最終發(fā)展為癌癥。正確快速地實(shí) 現(xiàn)胃鏡樣品正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌中的臨床診斷，并相應(yīng)的采取不同的治療
方案，對(duì)于提高病患的生存率與治愈率具有a^意義。 .
目前，雖然臨床上胃鏡檢査被廣泛采用，如專(zhuān)利CN 1004530250所述的一種內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。 但胃鏡檢查仍有一定的局限性，如需要夾取胃部組織，因而有創(chuàng)傷、易感染.、易導(dǎo)致擴(kuò)散， 同樣的，因?yàn)樾枰獖A取組織，所以對(duì)所有疑似部位進(jìn)行夾取檢查不易實(shí)現(xiàn)，因此可能造成漏 檢。胃鏡檢査的診斷結(jié)果主要受檢查者的操作經(jīng)驗(yàn)影響與主觀判斷，因而精確度較低。夾取 后的組織福爾馬林固定，石蠟包埋，HE染色，最后進(jìn)行常規(guī)病理學(xué)檢査，因而需要較長(zhǎng)時(shí)間 才能得到診斷結(jié)果，且成本較高。
傅里葉變換紅外光譜法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,簡(jiǎn)稱(chēng)FTIR)是 近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種從分子水平研究生物組織的新方法。紅外光譜是分子結(jié)構(gòu)變化的靈敏
探針，能夠從細(xì)胞內(nèi)某些物質(zhì)相應(yīng)基團(tuán)分子振動(dòng)水平的變化來(lái)檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu) 與構(gòu)象的變化。因此，病變組織的早期變化在未體現(xiàn)在形態(tài)學(xué)上的變化時(shí)，己在其中紅外光 譜上有所表現(xiàn)。而目前的一些學(xué)術(shù)研究雖然也涉及此領(lǐng)域，但大多需要采集組織樣本后，放 置于光譜儀上進(jìn)行離體檢測(cè)，即，希望以光譜檢査代替病理檢査，這樣同樣需要夾取組織， 因而也就具有其弊端。少數(shù)能夠在體判別組織性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)研究也都是針對(duì)人體淺表組 織，即反映皮膚附近組織的病變情況。且目前的光譜研究還仍然停留在特征譜峰比對(duì)階段， 浪費(fèi)了全譜的大量信息，且過(guò)于依靠主觀判斷，因而精度不高。
綜上所述， 一種胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置及方法，將光譜分析方法與圖像分析方法相 結(jié)合，有望發(fā)展成為一種無(wú)創(chuàng)、快速的胃部組織性質(zhì)檢測(cè)新技術(shù),且可用于癌癥的早期檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置及 方法，實(shí)現(xiàn)在體、多點(diǎn)測(cè)量，可以避免漏檢，不需夾取患者胃部組織進(jìn)行病理分析，減少了 患者痛苦，避免了交叉感染與擴(kuò)散，將圖像與全光譜信息相結(jié)合，通過(guò)數(shù)學(xué)算法編程，自動(dòng) 判別疑似組織性質(zhì)，具有較高的準(zhǔn)確度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置，包括以下部分光源部分， 伸入患者體內(nèi)的軟性部分，光譜采集裝置，計(jì)算機(jī)；光源部分包含兩部分提供可見(jiàn)波段的 照明所用的光源與提供中紅外入射光光源；伸入患者體內(nèi)的軟性部分包括可見(jiàn)光入射光纖， 微型圖像采集裝置，圖像信號(hào)輸出線路；中紅外入射光纖，二次衰減全反射(ATR)探頭， 中紅外出射光纖，其中二次ATR探頭與微型圖像采集裝置位于伸入患者體內(nèi)的軟性部分底端， 中紅外入射光纖與中紅外出射光線組成Y形光纖束與二次ATR探頭相連接；伸入患者體內(nèi)的 軟性部分可彎曲，控制，通過(guò)操作可彎曲部分，可使其向上下左右各方向彎曲，通過(guò)調(diào)節(jié)彎 角的方向而有助于其通過(guò)胃內(nèi)彎曲的腔道，提高觀察功能；
可見(jiàn)光光源發(fā)出的可見(jiàn)光經(jīng)透鏡耦合后進(jìn)入可見(jiàn)光入射光纖并傳輸至患者體內(nèi)，照亮胃 部組織，以便微型圖像采集裝置采集胃部圖像，并將圖像信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過(guò)圖像信號(hào)輸 出線路發(fā)送至體外計(jì)算機(jī)；
中紅外光源發(fā)出的中紅外光經(jīng)透鏡耦合后進(jìn)入中紅外入射光纖并傳輸至患者體內(nèi)在二 次ATR探頭內(nèi)表面進(jìn)行兩次衰減全反射后，出射光負(fù)載了胃部組織的生化信息后經(jīng)出射光纖 傳至體外光譜采集裝置并轉(zhuǎn)化為光譜信號(hào)后發(fā)送至計(jì)算機(jī)部分；
通過(guò)控制伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)伸入患者體內(nèi)的軟性部分，微型圖像采集裝置實(shí)時(shí)采集胃部各個(gè)部 分組織的圖像，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似病變組織后，啟動(dòng)光譜采集裝置采集該處的光譜信號(hào)，此處的圖 像信息與光譜信息同時(shí)被保存下來(lái)，作為輸入被傳輸至計(jì)算機(jī)部分，計(jì)算機(jī)可以將圖像與光 譜的存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)的模式識(shí)別模塊利用事先已建立的各種性質(zhì)胃部組織 光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)該處組織的圖像信息與光譜信息進(jìn)行判別分析，可以實(shí)時(shí)的輸出檢測(cè)組織判 別組織正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌的判別。
所述的可見(jiàn)部分光源選用鹵鎢燈或白光LED，所述的中紅外光源為硅碳棒；在兩光源出
口處分別置有凸透鏡，分別將兩光源所發(fā)出的光聚焦耦合入各自入射光纖，經(jīng)過(guò)透鏡耦合后， 可見(jiàn)光光源與中紅外光源分別進(jìn)可見(jiàn)入射光纖與中紅外入射光纖。 所述的可見(jiàn)光入射光纖選用普通石英材質(zhì)。
所述的中紅外入射光纖與中紅外出射光纖選用光纖材質(zhì)為鍺鹽玻璃，通光波段為 700-4000cnT1。所述二次衰減全發(fā)射(ATR)探頭為45度錐形ZnSe或Ge晶體，其剖面為等腰直角三角形。
所述的微型圖像采集裝置采用CCD或CMOS感光方式。
所述的光譜采集裝置采用后分光方式，負(fù)載了胃部組織性質(zhì)信息的中紅外出射光，由光 纖傳輸至體外，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后，通過(guò)光譜采集裝置中的分光部件分光后被檢測(cè)器接受，并轉(zhuǎn) 化為光譜信號(hào)，分光部件可以采用AOTF晶體，可變?yōu)V光片或光柵。
所述的模式識(shí)別模塊，該模塊通過(guò)輸入的光譜與圖像信息對(duì)胃部組織性質(zhì)進(jìn)行判別分 析。判別分析是多元統(tǒng)計(jì)方法中一類(lèi)判別分類(lèi)法，它是根據(jù)兩個(gè)或多個(gè)母體的觀測(cè)樣本結(jié)果， 按照一定的判別準(zhǔn)則和相應(yīng)的判別函數(shù)，來(lái)判別任一待判個(gè)體歸屬哪一類(lèi)母體。
利用己經(jīng)獲得的組織光譜與己經(jīng)判別的組織性質(zhì)建立判別分析模型，判別分析是多元統(tǒng) 計(jì)方法中較為成熟的一類(lèi)判別分類(lèi)法，它是根據(jù)兩個(gè)或多個(gè)母體的觀測(cè)樣本結(jié)果，按照一定 的判別準(zhǔn)則和相應(yīng)的判別函數(shù)，來(lái)判別任一待判個(gè)體歸屬哪一類(lèi)母體。其方法包括k一最 近鄰法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，支持向量機(jī)法等多種，且不局限于以上判別分析方法。
k最近鄰居法采用向量空間模型來(lái)分類(lèi)，概念為相同類(lèi)別的胃部組織光譜彼此的相似度 高，而可以借由計(jì)算與已知類(lèi)別案例之相似度，來(lái)評(píng)估未知類(lèi)別案例可能的分類(lèi)。根據(jù)具體 情況，選取待判別樣本最近的k個(gè)訓(xùn)練集樣本光譜，設(shè)這k個(gè)樣本中本別包含正常、淺表性 胃炎、萎縮性胃炎和胃癌的樣本N。 N2、 N3，且N,+N2+H分別計(jì)算判別樣本光譜對(duì)四類(lèi)訓(xùn) 練集樣本的隸屬得分，公式如以下所表示 <formula>formula see original document page 6</formula>式中Di表示該類(lèi)別中第i個(gè)訓(xùn)練集樣本光譜到待判別樣本光譜之間的距離。Di用以衡量 樣品光間的相似程度，可以用歐氏距離、馬氏距離、街區(qū)距離等來(lái)計(jì)算，且不局限于以上幾 種距離計(jì)算方法。
在計(jì)算得到待判別樣品光譜對(duì)各類(lèi)的得分后，比較得分高低，將待判別樣本判定為得分 最高的類(lèi)別。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network, ANN)是對(duì)人腦或自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Natural Neural Network)若干基本特性的抽象和模擬。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以對(duì)大腦的生理研究成果為基礎(chǔ)的，其目的在于模擬大腦的某些機(jī)理與機(jī)制，實(shí)現(xiàn)某個(gè)方面的功能。ANN是^具有適應(yīng)性 的簡(jiǎn)單單元組成的廣泛并行互連的網(wǎng)絡(luò)，它的組織能夠模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)真實(shí)世界物體所 作出的交互反應(yīng)。使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別?？商幚硪恍┉h(huán)境信息十分復(fù)雜，背 景知識(shí)不清楚，推理規(guī)則不明確的問(wèn)題，允許樣品光譜有較大的畸變，其運(yùn)行速度快，自適 應(yīng)性能好，具有較高的分辨率。
一種胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的方法，包括以下步驟
A. 在測(cè)量前采集足夠不同病理分析結(jié)果的在體胃部組織圖像與光譜，通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué) 方法建立判別分析模型；
B. 利用微型圖像采集裝置獲取訓(xùn)練集病人胃部組織的圖像信息；
C. 根據(jù)圖像判定疑似部分，同時(shí)采集并記錄疑似部位的圖像與光譜信息；
D.將疑似部位的圖像信息與光譜信息相結(jié)合輸入步驟a建立好的判別分析模型中，得 到待診斷病人胃部組織的分析結(jié)果為正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌的一種。
所述步驟A具體包括
a.招募大量志愿受試者，要求受試者中胃部為正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌的 比例相近；
b. 將軟性部分伸入受試者胃中，通過(guò)微型圖像采集裝置采集某部位的圖像，同時(shí)利用 采樣光纖采集該部位組織光譜；
c. 夾取被采集光譜部位組織，進(jìn)行病理分析，確定其性質(zhì)正常、淺表性胃炎、萎縮性 胃炎或胃癌中的一種；
d. 利用經(jīng)本發(fā)明中所述裝置獲得的組織光譜與圖像信息和利用病理分析得到結(jié)果，通 過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)光.譜建IL正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌四類(lèi)的分類(lèi)模型，
步驟C根據(jù)圖像判定疑似部分，同時(shí)采集并記錄疑似部位圖像與光譜信息，其特征在于 利用本發(fā)明所屬裝置的軟性部分深入待檢測(cè)患者胃部，通過(guò)控制其俯仰或轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)采集胃 部各個(gè)位置的圖像，當(dāng)發(fā)現(xiàn)病變組織在上會(huì)表現(xiàn)為潰瘍性，即基底部會(huì)有特殊的表現(xiàn)，不平， 硬感、暴露感，病灶周?chē)恼衬?huì)有集中像和融合現(xiàn)象或者杵狀變粗的表現(xiàn)，則開(kāi)始通過(guò)微 型圖像采集裝置記錄該位置的圖像，同時(shí)記錄下該部位的圖像與光譜數(shù)據(jù)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置與方法需要利用夾取 采集胃部組織至體外，會(huì)給患者帶來(lái)痛苦， 同時(shí)可能造成擴(kuò)散與感染，而且過(guò)多的采集各處組織也不可能實(shí)現(xiàn)，因而容易造成漏檢。而本發(fā)明釆用軟性部分伸入患者體內(nèi)，在體、無(wú)創(chuàng)地采集患者組織的光譜與圖像進(jìn)^t判別分析， 因而無(wú)需夾取患者胃部組織，只需采集組織圖像與光譜，不會(huì)對(duì)患者造成痛苦與傷害，減少 了患者痛苦，且不易交叉感染，造成擴(kuò)散。同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，對(duì)有可能病變的部 位都可以很容易的進(jìn)行檢測(cè)，可以避免漏檢。
(2)傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置與方法需要夾取胃部組織至體外，夾取后的組織福爾 馬林固定，石蠟包埋，HE染色，最后進(jìn)行常規(guī)病理學(xué)檢査，因而需要較長(zhǎng)時(shí)間才能得到診斷 結(jié)果，且成本較高。而本發(fā)明利用深入體內(nèi)的軟性部分深入患者體內(nèi)采集胃部組織的中紅外 光譜，中紅外光譜能夠靈敏地表征生物組織的性質(zhì)，因此可以實(shí)現(xiàn)在體、原位測(cè)量，不需要 進(jìn)行病理分析，縮短了診斷所需時(shí)間，可以實(shí)時(shí)得到檢測(cè)結(jié)果。
(3) 傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置與方法依靠圖像來(lái)確定組織性質(zhì)，而癌變組織如果能夠在影像學(xué) 上被觀測(cè)到時(shí)，至少己經(jīng)有千萬(wàn)個(gè)癌變細(xì)胞了。而本發(fā)明應(yīng)用光譜進(jìn)行診斷，紅外光譜能夠 從細(xì)胞內(nèi)某些物質(zhì)相應(yīng)基團(tuán)分子振動(dòng)水平的變化來(lái)檢測(cè)細(xì)胞中某些物質(zhì)的存在、組成、含量 以及分子的空間排列和結(jié)構(gòu)的變化，因而本發(fā)明可以盡早的檢測(cè)到組織的病變，可用于胃癌 的早期檢查。
(4) 傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置與方法主要依靠圖像檢測(cè)，而目前的研究中則是依靠離體的組織 光譜進(jìn)行分析。而本發(fā)明同時(shí)利用圖像與光譜信息都作為診斷依據(jù)，信息量更大，因而更可 能得到正確的判斷。
(5) 目前研究中，主要針對(duì)離體組織光譜的特征峰進(jìn)行比對(duì)、分析，而本發(fā)明中的模 式識(shí)別模塊針對(duì)在體組織全譜段光譜建立判別分析模型，檢測(cè)更準(zhǔn)確靈敏、特異性更高。
(6)常見(jiàn)的光譜采集方式為中紅外光由入射光纖進(jìn)入皮膚再經(jīng)反射后進(jìn)入出射光纖的 方式，而中紅外光穿透深度很淺，因而攜帶信息量極少，組織信息很容易淹沒(méi)在儀器與背景 噪聲中。而本發(fā)明采用二次衰減全反射(ATR)探頭，提高了光譜信號(hào)強(qiáng)度與信噪比，為后 續(xù)分析提供了可能。 -


圖1為本發(fā)明一種胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置組成框圖2為本發(fā)明與胃部組織結(jié)合的組成框圖3為本發(fā)明裝置中二次ATR探頭剖面圖4為本發(fā)明裝置中二次ATR探頭的結(jié)構(gòu)圖5為本發(fā)明中方法流程圖6為本發(fā)明實(shí)施例中所用A0TF光譜儀結(jié)構(gòu)圖7為本發(fā)明實(shí)施例中采集得到的胃部組織圖像；
8圖8為本發(fā)明實(shí)施例中采集得到的胃部組織光譜。
圖中l(wèi)光源部分，2可見(jiàn)光光源，3中紅外光源，4可見(jiàn)光入射光纖，5中紅外光入射 光纖，6二次ATR探頭，7胃部組織，8中紅外光出射光纖，9光譜釆集設(shè)備，IO微型圖像采 集設(shè)備，ll圖像信號(hào)傳輸線路，12光譜信號(hào)傳輸線路，13計(jì)算機(jī)，14模式識(shí)別模塊，15伸 入患者體內(nèi)的軟性部分，16固定光纖與ATR晶體的裝置，17二次ATR晶體。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)闡述-如圖1至圖4所示，本發(fā)明的胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置包括如下部分 二次ATR探頭6與微型圖像采集裝置10位于伸入患者體內(nèi)的軟性部分15底端，中紅外 入射光纖5與中紅外出射光纖8組成Y形光纖束與二次ATR晶體17相連接；伸入患者體內(nèi) 的軟性部分15可彎曲，控制，通過(guò)操作可彎曲部分，可使彎曲的最大角度向上、下各100 ° ，向左、右各50° ，通過(guò)調(diào)節(jié)彎角的方向而有助于先端部通過(guò)胃內(nèi)彎曲的腔道，提高觀察 功能。
可見(jiàn)光光源2發(fā)出的可見(jiàn)光經(jīng)透鏡耦合后進(jìn)入可見(jiàn)光入射光纖4并傳輸至患者體內(nèi)，照 亮胃部組織，以便微型圖像10采集裝置采集胃部圖像，并將圖像信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過(guò)圖 像信號(hào)11輸出線路發(fā)送至體外計(jì)算機(jī)13;
中紅外光源3發(fā)出的中紅外光經(jīng)透鏡耦合后進(jìn)入中紅外入射光纖5并傳輸至患者體內(nèi)在 二次ATR晶體17內(nèi)表面進(jìn)行兩次衰減全反射后，出射光負(fù)載.了胃部組織的生化信息后經(jīng)出 射光纖8傳至體外光譜采集裝置9并轉(zhuǎn)化為光譜信號(hào)后，經(jīng)光譜信號(hào)傳輸線路12發(fā)送至計(jì) 算機(jī)部分13;
通過(guò)控制伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)伸入患者體內(nèi)的軟性部分15，微型圖像采集裝置10實(shí)時(shí)采集胃部 各個(gè)部分組織的圖像，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似病變組織后，啟動(dòng)光譜采集裝置9釆集該處的光譜信號(hào)， 此處的圖像信息與光譜信息同時(shí)被保存下來(lái)，作為輸入被傳輸至計(jì)算機(jī)部分13，計(jì)算機(jī)可以 將圖像與光譜的存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)的模式識(shí)別模塊14利用事先已建立的各 種性質(zhì)胃部組織光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)該處組織的圖像信息與光譜信息進(jìn)行判別分析，可以實(shí)時(shí)的 輸出檢測(cè)組織判別組織正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌性質(zhì)的判別。
可見(jiàn)部分光源2選用鹵鎢燈；中紅外光源3選用硅碳棒；在可見(jiàn)部分光源2和中紅外光 源3出口處分別置有凸透鏡，分別將兩光源所發(fā)出的光聚焦耦合入各自入射光纖，經(jīng)過(guò)透鏡 耦合后，可見(jiàn)光光源2與中紅外光源3分別進(jìn)可見(jiàn)入射光纖4與中紅外入射光纖5。
可見(jiàn)光入射光纖4選用普通石英材質(zhì)。
中紅外入射光纖5與中紅外出射光纖8選用光纖材質(zhì)為鍺鹽玻璃，通光波段為700-4000cnT1。
二次衰減全發(fā)射(ATR)晶體17為45度錐形ZnSe晶體，其剖面為等腰直角三角形。 微型圖像采集裝置10采用CCD感光方式。
光譜采集裝置采用AOTF為分光部件的后分光式光譜儀。所用AOTF中紅外光譜儀系統(tǒng)的 總體結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。負(fù)載了胃部組織性質(zhì)信息的中紅外出射光，由光纖傳輸至體外， 經(jīng)聚光準(zhǔn)直系統(tǒng)后進(jìn)入AOTF晶體。在超聲波頻率的作用下，AOTF發(fā)生衍射，零級(jí)透射光和 -l級(jí)衍射光經(jīng)過(guò)聚焦，分別照射在兩個(gè)中紅外探測(cè)器上。探測(cè)器接收到的光信號(hào)經(jīng)相關(guān)電路 轉(zhuǎn)化成直流信號(hào)，通過(guò)光譜儀內(nèi)的單片機(jī)運(yùn)算，將衍射光信號(hào)除以透射光信號(hào)。由于兩路信 號(hào)通過(guò)了幾乎相同的光路，因而相除的結(jié)果補(bǔ)償了光源強(qiáng)度的起伏、光程中各種干擾等誤差， 提高了測(cè)量精度。數(shù)字頻率合成器用于對(duì)衍射光波長(zhǎng)進(jìn)行連續(xù)或者單步掃描，最終生成光譜 信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)。
計(jì)算機(jī)13采用通用型計(jì)算機(jī)，最低配置P4 1.7 GHz， 512M ram。
計(jì)算機(jī)中模式識(shí)別模塊14具有判別分析功能，在使用本發(fā)明所述的一種胃部組織性質(zhì) 無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置前，收集大量(100以上)的胃部組織樣本，記錄組織的圖像及圖像位置的光 譜，樣本中需包含在體的正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌四種性質(zhì)的圖像與光譜，根 據(jù)載體組織的光譜與圖像信息對(duì)應(yīng)的該組織的性質(zhì)建立數(shù)值分類(lèi)規(guī)則，當(dāng)有待檢測(cè)的在體胃 部組織的光譜與圖像輸入判別分析模塊時(shí)，可根據(jù)建立的數(shù)值分類(lèi)規(guī)則判定該組織的性質(zhì)為 正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌中的一種。
本發(fā)明的實(shí)施例采用支持向量機(jī)作為判別分析算法。在應(yīng)用本發(fā)明裝置前已經(jīng)通過(guò)采集 大量受試者胃部組織信息建立起來(lái)，模塊支持向量機(jī)分類(lèi)算法是從線性可分情況下的最優(yōu)分 類(lèi)面(Optimal Hyperplane)提出的。要求分類(lèi)面對(duì)所有樣本都能正確分類(lèi)，就是要求它滿 足
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式中使等號(hào)成立的那些樣本叫做支持向量(Support Vectors)。兩類(lèi)樣本的分類(lèi)空隙 (Margin)的間隔大小
<formula>formula see original document page 10</formula>
因此，最優(yōu)分類(lèi)面問(wèn)題可以表示成如下的約束優(yōu)化問(wèn)題的最小值。為此，可以定義如下 的Lagrange函數(shù)
<formula>formula see original document page 10</formula>其中，"''》0為L(zhǎng)agrange系數(shù)，問(wèn)題是對(duì)w和b求Lagrange函數(shù)的最小值。通過(guò)求解該 優(yōu)化問(wèn)題，得到最優(yōu)分類(lèi)函數(shù)是
(=1
其中，sgn()為符號(hào)函數(shù)。 — 首先通過(guò)非線性變換①將輸入空間變換到一個(gè)高維空間，然后在這個(gè)新空間中求取最優(yōu) 線性分類(lèi)面，而這種非線性變換是通過(guò)定義適當(dāng)?shù)暮撕瘮?shù)(內(nèi)積函數(shù))實(shí)現(xiàn)的，令 尺",^.)-〈(D(x,).(D(x》〉
用核函數(shù)《""、)代替最優(yōu)分類(lèi)平面中的點(diǎn)積",、，就相當(dāng)于把原特征空間變換到了某 一新的特征空間，而相應(yīng)的判別函數(shù)式則為-
其中A為支持向量，^為未知向量，
采用權(quán)利要求i所述的檢測(cè)裝置進(jìn)行胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的方法的具體實(shí)施方式
如
下
招募志愿受試者共118人，采用本發(fā)明所述裝置的軟性部分伸入受試者胃中，通過(guò)其中 的微型圖像采集裝置采集某部位的圖像，同時(shí)利用采樣光纖采集該部位組織光譜；
夾取被采集光譜部位組織，進(jìn)行病理分析，經(jīng)病理科服檢驗(yàn)證實(shí)胃癌35例，淺表性胃 炎31例、萎縮性胃炎33例，正常胃組織19例；
建立如上所述的支持向量機(jī)判別分析模型，再另外隨即抽取一位待診斷患者，在檢查前 一天晚上8時(shí)以后，不進(jìn)食物及飲料，禁止吸煙。前一天晚飯吃少渣易消化的食物。將帶有 采樣光纖的探頭伸入患者胃中，開(kāi)啟探頭所帶光源照亮胃部組織，實(shí)時(shí)采集胃部各個(gè)位置的 圖像，發(fā)現(xiàn)一處組織表現(xiàn)為潰瘍性，該處組織圖像如說(shuō)明書(shū)附圖7所示，則認(rèn)定該處為疑似 部位，記錄下該處組織的光譜圖像，同時(shí)采集并記錄下該部位的圖像與光譜數(shù)據(jù)，該處組織 譜圖如圖8所示。
將該處的^r譜信息與圖像信息帶入建立的支持向量機(jī)判別分析模塊，判斷該處為胃癌。 而后夾取該處組織至體外，進(jìn)行常規(guī)病例分析，結(jié)果與本發(fā)明檢測(cè)結(jié)果一致。 以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
1權(quán)利要求
1、一種胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置，其特征在于包括以下部分光源部分，伸入患者體內(nèi)的軟性部分，光譜采集裝置，計(jì)算機(jī)。光源部分包含兩部分提供照明所用的可見(jiàn)光光源與提供光譜采集所需的中紅外光源；伸入患者體內(nèi)的軟性部分包括可見(jiàn)光入射光纖，微型圖像采集裝置，圖像信號(hào)輸出線路；中紅外入射光纖，二次衰減全反射(ATR)探頭，中紅外出射光纖，其中二次ATR探頭與微型圖像采集裝置位于伸入患者體內(nèi)的軟性部分底端，中紅外入射光纖與中紅外出射光線組成Y形光纖束與二次ATR探頭相連接；伸入患者體內(nèi)的軟性部分可彎曲，控制，通過(guò)操作可彎曲部分，可使其向上下左右各方向彎曲，通過(guò)調(diào)節(jié)彎角的方向而有助于其通過(guò)胃內(nèi)彎曲的腔道，提高觀察功能；可見(jiàn)光光源發(fā)出的可見(jiàn)光經(jīng)透鏡耦合后進(jìn)入可見(jiàn)光入射光纖并傳輸至患者體內(nèi)，照亮胃部組織，以便微型圖像采集裝置采集胃部圖像，并將圖像信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過(guò)圖像信號(hào)輸出線路發(fā)送至體外計(jì)算機(jī)；中紅外光源發(fā)出的中紅外光經(jīng)透鏡耦合后進(jìn)入中紅外入射光纖并傳輸至患者體內(nèi)在二次ATR探頭內(nèi)表面進(jìn)行兩次衰減全反射后，出射光負(fù)載了胃部組織的生化信息后經(jīng)出射光纖傳至體外光譜采集裝置并轉(zhuǎn)化為光譜信號(hào)后發(fā)送至計(jì)算機(jī)部分；通過(guò)控制伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)伸入患者體內(nèi)的軟性部分，微型圖像采集裝置實(shí)時(shí)采集胃部各個(gè)部分組織的圖像，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似病變組織后，啟動(dòng)光譜采集裝置采集該處的光譜信號(hào)，此處的圖像信息與光譜信息同時(shí)被保存下來(lái)，作為輸入被傳輸至計(jì)算機(jī)部分，計(jì)算機(jī)可以將圖像與光譜的存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)的模式識(shí)別模塊利用事先已建立的各種性質(zhì)胃部組織光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)該處組織的圖像信息與光譜信息進(jìn)行判別分析，實(shí)時(shí)的輸出檢測(cè)組織判別組織正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌性質(zhì)的判別。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置，其特征在于所述的可見(jiàn)部分 光源選用鹵鎢燈或白光LED，所述的中紅外光源為硅碳棒；在兩光源出口處分別置有凸透鏡， 分別將兩光源所發(fā)出的光聚焦耦合入各自入射光纖，經(jīng)過(guò)透鏡耦合后，可見(jiàn)光光源與中紅外 光源分別進(jìn)可見(jiàn)入射光纖與中紅外入射光纖。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置，其特征在于所述的可見(jiàn)光入 射光纖選用普通石英材質(zhì)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置，其特征在于所述的中紅外入 射光纖與中紅外出射光纖選用光纖材質(zhì)為鍺鹽玻璃，通光波段為700-4000cnf'。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置，其特征在于所述二次衰減全發(fā)射(ATR)探頭為45度錐形ZnSe或Ge晶體，其剖面為等腰直角三角形。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置，其特征在于所述的微型圖像 采集裝置采用CCD或CMOS感光方式。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置，其特征在于所述的光譜采集 裝置采用后分光方式，負(fù)載了胃部組織性質(zhì)信息的中紅外出射光，由光纖傳輸至體外，經(jīng)透 鏡準(zhǔn)直后，通過(guò)光譜采集裝置中的分光部件分光后被光電檢測(cè)器接受，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，分 光部件可以采用A0TF晶體，可變?yōu)V光片或光柵。
8、 采用權(quán)利要求1所述的檢測(cè)裝置進(jìn)行胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的方法，其特征在于， 包括以下步驟-(1) 在測(cè)量前采集足夠不同病理分析結(jié)果的在體胃部組織圖像與光譜，通過(guò)化學(xué)計(jì)量 學(xué)方法建立判別分析模型；(2) 利用微型圖像采集裝置獲取訓(xùn)練集病人胃部組織的圖像信息；(3) 根據(jù)圖像判定疑似部分，同時(shí)采集并記錄疑似部位的圖像與光譜信息；(4) 將疑似部位的圖像信息與光譜信息相結(jié)合輸入步驟(1)建立好的判別分析模型中， 得到待診斷病人胃部組織的分析結(jié)果，為正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌中的一種。
9、 權(quán)利要求8中所述的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的方法，其特征在于所述步驟(1)在測(cè)量前采集足 夠不同病理分析結(jié)果的在體胃部組織圖像與光譜，建立判別分析模型的方法如下a.招募大量志愿受試者，要求受試者中胃部為正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎或胃癌的 比例相近；b. 將權(quán)利要求l所述裝置的軟性部分伸入受試者胃中，通過(guò)其中的微型圖像采集裝置 采集某部位的圖像，同時(shí)利用采樣光纖采集該部位組織光譜；c. 夾取被采集光譜部位組織，進(jìn)行病理分析，確定其性質(zhì)為正常、淺表性胃炎、萎縮 性胃炎或癌癥中的一種；d. 利用權(quán)利要求l所述裝置獲得的組織光譜與圖像信息和利用病理分析得到結(jié)果，對(duì) 光譜建立正常、淺表性胃炎、萎縮性胃炎及癌癥四類(lèi)的分類(lèi)模型。
10、 權(quán)利要求8中所述的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的方法，其特征在于所述步驟(3)根據(jù)圖像判定 疑似部分，同時(shí)采集并記錄疑似部位的圖像與光譜信息的方法為利用權(quán)利要求l所述裝置 的軟性部分深入待檢測(cè)患者胃部，通過(guò)控制其俯仰或轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)采集胃部各個(gè)位置的圖像， 當(dāng)發(fā)現(xiàn)病變組織在上會(huì)表現(xiàn)為潰瘍性，即基底部會(huì)有特殊的表現(xiàn)，不平，硬感、暴露感，病 灶周?chē)恼衬?huì)有集中像和融合現(xiàn)象或者杵狀變粗的表現(xiàn)，則開(kāi)始通過(guò)微型圖像采集裝置記 錄該位置的圖像，同時(shí)記錄下該部位的圖像與光譜數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種胃部組織性質(zhì)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)裝置及方法，裝置包括光源部分，伸入體內(nèi)的軟性部分，光譜采集裝置、計(jì)算機(jī)等，微型圖像采集裝置采集胃部圖像發(fā)送至計(jì)算機(jī)，入射中紅外光經(jīng)二次衰減全反射(ATR)探頭后，將胃部組織的吸收信息傳至體外光譜采集裝置并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后發(fā)送至計(jì)算機(jī)，模式識(shí)別模塊對(duì)該處組織的圖像與光譜信息進(jìn)行判別分析后，輸出檢測(cè)組織性質(zhì)；本發(fā)明方法包括測(cè)量前利用在體胃部組織圖像與光譜建立判別分析模型后，采集待檢測(cè)部位的圖像與光譜后輸入建立好的判別分析模型，得到待檢病人胃部組織的分析結(jié)果。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在體、無(wú)創(chuàng)、快速、多點(diǎn)測(cè)量，避免漏檢，減少了患者痛苦，將圖像與全光譜信息相結(jié)合建立判別分析模型，準(zhǔn)確度高。
文檔編號(hào)A61B1/273GK101623191SQ200910090920
公開(kāi)日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者張廣軍, 響 李, 李慶波 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)