[发明专利]高频调制乳腺血氧功能成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光源高频调制技术以及由此技术而制造的医学影像设备，特别是涉及一种可应用于乳腺疾病诊断的高频调制乳腺血氧功能成像系统。

背景技术

乳腺癌是妇女常见恶性瘤之一，近三十年来的临床经验总结表明：乳腺癌患者的死亡率并未因治疗方法的任何改变而有所降低，其主要原因是临床患者多数为中晚期，均因血行转移而使治疗失败。乳腺癌的早期诊断和早期治疗是提高乳腺癌生存率的重要而有效的途径，因此，对乳腺癌的影像学诊断方法研究在国内外医学界受到广泛的关注。

人体乳腺的病变与其血、氧含量变化密切相关，因而乳腺血氧含量及变化数据(指标)是医生诊断和治疗乳腺疾病的重要依据。现有的乳腺组织血氧检测技术采用近红外光无创检测的方法，能够获得乳腺局部组织血氧含量(与检测位置有密切关系)，乳腺血氧功能成像方法能够进一步获得乳腺组织血氧的分布状态，对诊断乳腺病变、病变定位和治疗提供有效依据。但是，由于近红外光在乳腺组织中的传播呈现强散射效应而严重影响了成像的空间分辨率，因此需要通过技术手段进一步提高成像的空间分辨率进而改进血氧含量的检测结果。

光在两种反射率不同的介质边界会发生散射现象。由于生物组织在显微结构上的各向异性，在生物组织内各种成分(如水，蛋白质，脂肪等)分界处光线发生散射现象，在宏观上表现为光传播方向的改变。在近红外波段，生物组织表现出高散射、低吸收的特性。高散射的结果一方面使近红外光在组织中具有较大的穿透深度，另一方面由于生物组织和光子之间的相互作用使得近红外成像的空间分辨率较低。影响近红外成像空间分辨率的因素有很多，有近红外光子自身约束的原因，也有检测设备硬件条件的原因。

生物组织是一种混浊介质，所以混浊介质中近红外光子的传输理论与检测技术是近红外医学检测的基础。在红光和近红外光范围内，大多数生物组织的传输散射系数μ_s远大于其吸收系数μ_a，因此当生物组织的散射长度远小于其几何尺寸时，光子在它们被吸收和溢出边界前将经历多次散射。在这种情况下，光子在生物组织中的迁移可以视为一个扩散过程。图1为光在组织中传输的基本模型，入射到生物组织的光子根据其经历可分为：直接反射光子、弹道(平行)透过光子、散射光子(又可分为散射次数较少的蛇行光子和多次散射光子)、最终被吸收的光子。

目前，已从波动性和粒子性两个角度提出了多种理论模型来描述光子在浑浊介质中的传输规律。从波动性入手的理论用具有任意介电常数的连续介质中的Maxwell方程来描述光子与组织的相互作用。该类模型同时考虑了介质和波的统计特性，可严格地描述介电常数任意分布的复杂系统，是最基本的方法。但由于数学形式复杂的Maxwell方程的求解非常困难，因而限制了它在实际中的应用。光与组织的相互作用的另一种理论是从光的粒子性入手，结合能量(粒子数)守恒定律的光子传输理论，该理论虽然没有波动理论那种理论上的严密性，但大量实验表明它适于大多数的实际问题。由于其相对简单，实际中该理论已被广泛应用。此理论最基本的方程是光子输运方程。一般情况下的光子输运方程是一个复杂的非线性方程，对于生物组织的光学特性来说，大多数情况下非线性方程可简化为线性方程。

经典理论认为光子与物质的相互作用满足能量守恒定律的一般情况下的非线性光子输运方程：

理论上，光在组织中的传播可以用基本的电磁场理论描述。在这种情况下，组织可以看作具有空间变化的介电常数，这个变化可以用Maxwell方程描述。然而这种方案目前很难行得通，因为问题很复杂并且缺少介电常数的精确解。但是，在生物组织的近红外光学检测中，光子与物质的相互作用有以下特点：(1)光强弱，受激发射可忽略；(2)近红外光子的能量较小，此时的散射主要是弹性散射，即散射不改变光的频率；(3)一般情况下，自发发射几率很小，可忽略。由于发射跃迁和受激散射很小，因此，组织的近红外光学检测中的非线性输运方程可以简化为线性方程。