[00130184]多模态皮肤三维CT系统产业化

一、 项目背景　　皮肤组织是人体最大的器官。它主要负责人体内部与外部的隔离与沟通，起到保护体内环境、排汗和感受外部刺激的功能。由于直接接触紫外光、化学物质等，皮肤的病变几率非常大[1]。皮肤病可以给患者带来瘙痒、疼痛、及各种美容问题，严重影响患者的身心健康，甚至影响患者的生命。因此，皮肤病的早期、准确的诊断和治疗是至关重要的。 目前皮肤病的诊断主要依靠临床表现和组织病理学。皮肤组织病理学是皮肤肤病学不可缺少的组成部分，它是许多皮肤病诊断的金标准，也是深入探讨皮肤病的发生发展规律、指导皮肤病治疗的依据。然而组织病理学活检取材一般为创伤性的，致使患者疼痛，也易留瘢痕，患者依从性较差；病理切片的制作费时费力；仅能提供活检部位的信息；而且制成切片使细胞失去了生理状态。在皮肤科临床诊疗过程中，经常需要对可疑皮损及其演变进行定期观测，并对其干预手段及疗效提供客观量化的评价指标。根据这些检查观测的临床需求，皮肤科需要无创、原位、实时、动态的皮肤影像学诊断技术。在过去的十几年里，皮肤影像学检测方法包括皮肤镜、皮肤超声等得到了迅速发展，皮肤镜只能对皮损表面进行检查，对于深层皮肤结构无能为力；皮肤超声虽然能给对深层皮肤结构进行检测，但其图像分辨率较低，例如不能根据其声像图来判断皮肤肿瘤的良恶性和确定皮损的浸润范围，其检查结果也易受患者的体位、探头的压力等多种因素影响。　　皮肤色素一般形成于皮肤表面以下100微米左右的皮肤基底层中，同时，这一层也是皮肤癌症的发源层。因此，实现皮肤病变检查的早期诊断，必须通过皮肤组织在体(in vivo)三维功能成像。目前，可用于皮肤组织在体(in vivo)三维成像的主要技术手段包括高频率超声波技术（High-frequency Ultra- sound），磁共振成像技术(MRI)，光学相干成像技术(OCT)，以及光学共聚焦成像技术(Confocal Imaging)。这些技术在探测深度和分辨率上的比较见。由于在病理诊断上需要低于1微米的分辨率来进行细胞成像，以及约100微米的探测深度，共焦技术成为研究皮肤早期病变的首选技术。　　为了克服以上缺陷，并对皮肤病进行原位、在体、实时、动态的检测，近年来出现一种新兴的无创性光学皮肤影像学技术：基于光学共聚焦原理的皮肤原位、在体、实时、动态三维计算机断层成像技术（皮肤CT），这种技术在一定程度上实现了光学活检的理论与实践的突破。在国际上，Lucid公司最近研制了型号为Vivascope 2000的共焦反射式成像系统。此系统利用了皮肤黑色素瘤带来的细胞形貌的变化，通过830nm近红外光实现对皮肤肿瘤的实时细胞探测。在生物组织中，对光吸收最强的物质是血红蛋白、黑色素和水。通过选择近红外波段的激光，可有效减少生物组织对光的吸收，使得系统探测深度可达到约250微米。　　但是，反射式共焦显微系统的成像对比是基于生物体内折射率的变化，因此只能观察细胞形态的变化。对于癌症和色素沉着，其早期变化存在于细胞内的生化环境改变。这些改变可通过生物荧光探测的方法得到。　　在香港科技大学瞿佳男教授带领下，席鹏等人对共焦层析光谱分析技术进行了深入研究，并将其应用到了人体子宫颈癌症的早期检测上。这一方案通过对生物体组织自发荧光的共焦层析分析，得到组织不同层内的光谱用于疾病诊断。　　在生物体内，有丰富的蛋白质大分子具有荧光特性。其中，辅酶还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）是细胞内的两种可以表征细胞新陈代谢状态的荧光素。图 4为生物组织自发荧光激发和发射光谱。可以看到，375nm的激光可同时以较高效率激发NADH和FAD。利用NADH和FAD的荧光成像，可直接观察细胞新陈代谢状况，实现癌症的早期诊断。将这些技术手段结合，可对皮肤组织的病变进行无创观察，实时得到组织的病理学分析，提高皮肤早期癌症的确诊率。　　二、 主要技术内容　　1. 研究内容　　本项目研究共焦反射/荧光实时成像系统的设计以及技术实现。所谓“共焦反射/荧光实时成像系统”，是指用两路激光同时激发反射和荧光信号，利用光机电一体化系统实现对皮肤组织的三维共焦功能成像，以提高皮肤早期癌症的诊断准确率。我们提出一种可以将两类信息同时得到的共焦成像系统设计方案。　　808nm近红外激光作为反射式共焦系统的光源，通过格兰-泰勒偏振棱镜选择透射光，利用1/4波片将偏振方向旋转为圆偏振光。激光经过计算机控制的检流镜得到2维扫描，由一个望远镜装置实现扩束以匹配显微物镜的孔径，实现数值孔径的有效利用。从样品出来的反射信号体现了在焦点处折射率的变化。反射的信号经过扫描镜实现反扫描，沿原光路到达1/4波片，偏振方向旋转为垂直于入射。因此，在通过格兰-泰勒棱镜时，信号将被反射到滤波片1。滤波片1为单色滤波片，其目的是去除375nm激光反射造成的干扰。经过滤波片后，信号通过一个数值孔径为0.1的会聚透镜，被耦合到光纤中。光纤选择直径为9微米的单模光纤，利用光纤作为共焦设计的小孔光阑。此单模光纤将信号耦合到光电倍增管PMT1中。　　375nm激光经过两个二向色性滤波片（DC1和DC2），被反射到检流计镜面上。其中，DC1透射375nm而反射长波荧光，DC2反射350～700nm而透射808nm，DC3反射400-500nm而投射500nm以上的光波。在样品中，375nm激光可激发细胞中的NADH和FAD。荧光经过检流计反扫描后，沿原光路返回，由DC1反射到滤波片2上。滤波片2的功能是滤去反射回来的375nm和808nm的影响。荧光信号同样经过单模光纤作为共焦小孔，传导到PMT中。将PMT2和PMT3采集的荧光图像置入功能影像的蓝色和绿色通道，可实现对细胞新陈代谢率的直接观测。全部系统采用计算机控制。在第一阶段（显微阶段），National Instruments的PCI 6251数据采集卡可实现四路模拟信号-数字信号输入和两路模拟信号输出，负责读取PMT得到的信号，以及转动检流计镜面。信号采集到以后，利用LabView程序可实现图像化。通过控制显微物镜上下运动，可得到不同深度的图像，用于构建三维信息。在第二阶段，通过共振扫描镜和检流镜实现实时扫描，利用图像采集卡实现实时图像捕获，三维扫描通过PZT压电陶瓷实现。　　2.技术可行性分析　　（1）组织的三维功能成像　　本课题将研究如何利用光学共焦的方法，利用激光提取生物细胞组织形态信息；以及新陈代谢、黑色素沉淀、角蛋白增多等病理学信息用于病理诊断。细胞组织形态的成像观察采用共焦反射的方式进行探测；细胞病理学信息采用生物自发荧光成像进行探测。　　在第一阶段，整体系统将在一台倒置式显微系统的基础上建立。方便实验中样本放置以及与传统成像方式的比较。通过808nm近红外光的反射成像，可反应生物组织内不同物质的折射率变化，得到深度为300?m以内的细胞组织形态信息。由于细胞壁、黑色素和角蛋白以及组织中的胶原蛋白相对于细胞浆折射率有较大变化，而大多数皮肤疾病可由这几类物质表达，且发病深度也在250?m以内的真皮层中，因此这一方法可以应用于多种皮肤疾病的探测。　　利用波长为375nm的激光，可激发生物组织中多种自发荧光如角蛋白、NADH、FAD、黑色素。利用这些荧光发射光谱各不相同的原理，可选择滤波片实现对这些物质的荧光生化成像。在本课题中，我们通过采集NADH和FAD的细胞成像，可实现细胞新陈代谢检测的功能成像。由于癌症等影响细胞新陈代谢的疾病多发于表皮以下100?m的基底层中，而荧光检测可探测深度为150?m，因此这一方法可实现细胞新陈代谢的功能成像。　　（2）共焦反射式三维成像技术　　由于本系统具有反射/荧光同时成像的能力，因此在设计中，需要对两路光学系统进行细致的考虑。反射式共焦成像系统可探测焦点处介质折射率的变化。对于两类折射率分别为 和 的介质，其界面反射率可表示为。例如，在皮肤组织中，角蛋白的折射率为1.5，黑色素的折射率为1.7，因此相对于细胞浆（折射率1.33），反射信号的强度分别为0.36%和1.49%。　　为了有效利用激光能量，对反射光的采集拟采用旋转偏振方向的技术。格兰-泰勒棱镜的工作原理是利用晶体的双折射效应，将e光和o光分开。因此，格兰-泰勒棱镜常被用于起偏器。当激光偏振方向与棱镜e光偏振方向一致时，可实现全透射。　　经过格兰-泰勒棱镜后，激光被投射到一个1/4波片上。这一波片可将线偏振光改变为圆偏振光。入射的圆偏振光在经过组织反射后，回到1/4波片。经过1/4波片后，其偏振方向被转为棱镜的o光方向。因此，在经过棱镜时，这一光束被反射到接收器一侧。　　（3）共焦荧光三维成像技术　　分子中的电子在吸收高能量光子跃迁到高能级后，返回低能级并释放出一个较低能量的光子，这一现象叫做荧光。由于不同分子其电子能级分布不同，导致其荧光光谱也相应不同。因此，通过对荧光光谱的检测，可了解生物体的生化信息。在动物组织中，有大量生物大分子具有荧光效应。其中，NADH和FAD是细胞内的两种表征新陈代谢的荧光分子。对于这两种分子的荧光成像可以将癌症引发的细胞新陈代谢变化准确地反映出来。　　（4）激光点扫描成像系统　　在本项目的第一阶段，图像采集速度指标为512×512，每秒1帧的图像采集。这要求两面检流镜分别以256Hz和1Hz的速率扫描。由于系统光学偏折角为±4o，目前的检流镜技术在这一角度可实现500Hz的扫描。席鹏博士等人已经用检流镜实现了这一扫描速度。　　在本项目的第二阶段，即实时扫描阶段，图像采集速度设计指标为640×480，每秒30帧。因此，每个采样点的采集频率为9.2MHz。系统行扫描频率为7.2KHz，场扫描频率为15Hz。系统实时扫描采用共振反射+检流计反射实现，共振反射镜的工作频率为7.2KHz，检流计的工作频率为15Hz，光学偏折角均为±4o。系统中探测器的工作频率均在10MHz以上。这一工作已经由Parker等人在1999年实现。　　在信号模数转换方面，通过MuTech的MV-1000-20M图像采集卡，将时序信号、场同步、帧同步输入，实现图像采集。三路探测器所收集的信号将分别编码到彩色信号的RGB通道，实现实时功能成像。在样机中，Z轴方向的扫描通过PZT压电陶瓷带动物镜运动来实现精确控制。PI公司的P-725高精度PZT可实现400?m的位移。　　将共焦层析反射信号与荧光信号结合，可同时、同焦点得到对生物体形态学和生物化学的信息，实现皮肤影像学分析。这一分析将大大加强对皮肤黑色素瘤、白癜风、黄褐斑等皮肤疾病的早期诊断准确率。由于本检测在活体上无创进行，因此具有取样检测无可比拟的实时性、多次观察性，且可大大降低检测成本。　　三、主要创新点　　利用375nm激光激发生物细胞内生荧光信号，实现细胞新陈代谢的生化病理影像诊断，可提高癌症的早期诊断率。　　此方法结合近红外光对皮肤组织的细胞结构进行显微观察，实现皮肤组织细胞黑色素和角蛋白的成像。　　共焦光学三维成像技术可实现对生物组织的无创实时检测，因此大幅提高了可检测范围，便于早期病变的发现与连续观察。　　通过这两种信号的同点实时功能成像，可为医生同时提供丰富的组织学和病理学影像信息，提高诊断准确率。　　四、技术成熟性和可靠性　　目前，该技术已经完成实验室研究。　　五、知识产权　　我们拥有该系统全部知识产权，系统所有设计（硬件、软件）均为自主研发，我们的2项专利如下：　　席 鹏，任秋实，黄欣明，万俊超，一种多模式共聚焦成像方法及其装置，专利申请号200810202398.1。　　席 鹏，任秋实，黄欣明，万俊超，多模式共聚焦成像装置，专利号ZL200820155014.0。　　六、 国内外相关技术现状与趋势　　在2007年，Rice大学R. R. Kortum实验室提出了利用探测共焦荧光/反射信号，来实现对口腔癌症的探测。实验在仓鼠面颊眼袋和人体皮肤组织切片中进行。利用荧光信号和纳米分子标记，可实现对特定疾病（例如癌症新陈代谢率）的影像检定，而反射共焦显微图像可给出癌症引发的细胞密度和细胞核质比变化。传统的共焦成像检测